JP7520772B2 - 粒子線到達位置モニタ、粒子線治療システムおよび粒子線到達位置モニタ方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線到達位置モニタ、粒子線治療システムおよび粒子線到達位置モニタ方法に関し、特に、被照射体から発せられる即発ガンマ線を検出する技術に関する。

粒子線治療が広く行われている。粒子線治療では、陽子や炭素等の粒子線を患部に照射することで腫瘍が治療される。粒子線は、加速器でイオンを加速することにより生成される。粒子線はビーム輸送系によって治療室へ導かれ、治療室内の照射装置から患者の治療部位へ照射される。一般に、患者の体内に照射された陽子線や重粒子線等の粒子線は、所定の深さで止まり、停止直前に体内の組織にエネルギを与え、組織を破壊するという性質を持つ。粒子線が到達する深さは、粒子線のエネルギに応じて定まる。

粒子線治療では、上述した粒子線の性質を生かし、粒子線のエネルギを変更することで粒子線の到達位置が調整される。すなわち、粒子線が患部で止まるようにエネルギが調整された粒子線が患部へ照射される。これによって、停止直前に十分なエネルギが患部に与えられ、患部の組織が破壊される。しかし、実際の粒子線の到達位置は、治療装置側または患者側の要因により、設計された到達位置とは必ずしも一致しない。このため粒子線による患部の治療に際しては、粒子線の実際の到達位置を確認する必要がある。

そこで、粒子線の到達位置を求める技術が提案されている。この技術では、粒子線の深さ方向（照射軸方向）への線量分布が計測され、ブラッグピークの位置が粒子線の到達位置として求められる。ブラッグピークは、粒子線のエネルギを深さ方向の線量分布で表したときに、その線量分布のピークとして定義される。ブラッグピークの位置が粒子線の到達位置に相当する。

以下の特許文献１および特許文献２には、粒子線と照射対象との相互作用によって発生する放射線を計測することにより、深さ方向の線量分布を計測する技術が記載されている。すなわち、粒子線が照射対象内部を進行するときに、粒子線と照射対象内部の原子との衝突により即発ガンマ線が発生する。特許文献１に記載の技術では、ガンマ線ピンホールカメラを使用して、粒子線の照射により発生した即発ガンマ線の深さ方向への線量分布を計測することにより、ブラッグピークの位置が求められる。

特許文献２に記載の技術では、即発ガンマ線が検出器に衝突して電子対生成が起きた位置と、電子と陽電子の進行方向と、電子と陽電子のエネルギの情報とから、粒子線の照射により発生した即発ガンマ線の深さ方向への線量分布が計測される。そして、線量分布に基づいてブラッグピークの位置が求められる。

特表２０１１－５２６５０４号公報 特開２０１９－８８５９７号公報

従来技術では、粒子線が照射された位置を特定するための即発ガンマ線の測定量に対してノイズが多い場合、線量分布にブラッグピークが適切に現れず、粒子線の位置を高精度に測定することは難しい。ノイズ源には、粒子線照射に伴い被照射体内で発生する中性子、中性子が被照射体内や検出装置と核反応することにより生成される粒子等がある。

本発明の目的は、粒子線の到達位置を高精度で求めることである。

本発明は、被照射体へ入射する粒子線の到達位置を求める粒子線到達位置モニタにおいて、透過開口部を有する遮蔽体と、前記遮蔽体の後方に配置された遮蔽用検出器と、前記遮蔽用検出器の後方に設けられたガンマ線検出器であって、前記粒子線の照射軸方向に配列された複数の検出素子を備えるガンマ線検出器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、被照射体へ入射する粒子線の到達位置を求める粒子線到達位置モニタ方法において、複数の検出素子を備えるガンマ線検出器を、前記検出素子の配列方向が前記粒子線の照射軸方向に揃えられるように配置し、前記照射軸と前記ガンマ線検出器との間に、前記照射軸に交差する方向にガンマ線が通過する透過開口部が設けられた遮蔽体を配置し、前記遮蔽体と前記ガンマ線検出器との間に、前記遮蔽体を透過したノイズを検出する遮蔽用検出器を配置し、前記遮蔽用検出器から参照検出値が出力されたときに前記検出素子から出力された主検出値を無効とし、各前記検出素子から出力された前記主検出値のうち無効とされなかった前記主検出値と、各前記検出素子および前記透過開口部の位置関係とに基づいて、前記照射軸方向に沿ったガンマ線の線量分布を求め、前記線量分布に基づいて前記到達位置を求めること、を含む。

本発明によれば、粒子線の到達位置を高精度で求めることができる。

粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 粒子線の照射軸方向の線量分布を概念的に示す図である。 参照検出信号および検出信号の時間波形の概形を示す図である。 粒子線の到達位置を求める処理のフローチャートである。 較正モードの動作を示すフローチャートである。 遮蔽用検出器およびガンマ線検出器に入力された外部トリガ信号を示す図である。 測定モードにおける動作例を示すフローチャートである。 遮蔽体と遮蔽用検出器の変形例を示す図である。 遮蔽用検出器の変形例を示す図である。 複数の検出ユニットが、照射軸の周囲に配置された実施形態を示す図である。

各図面に基づいて、本発明の実施形態が説明される。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号を付してその説明が省略される。図１には、本発明の実施形態に係る粒子線治療システム１００の全体構成が示されている。

粒子線治療システム１００は、粒子線照射装置１、粒子線到達位置モニタ２、粒子線制御装置１０および表示部５５を備えている。粒子線照射装置１は、粒子線制御装置１０による制御に基づいて、被照射体２０に粒子線１１を照射する。被照射体２０は、粒子線治療の対象となる患者である。粒子線到達位置モニタ２は、被照射体２０に照射された粒子線１１の到達位置をモニタする。表示部５５は、粒子線１１の到達位置をモニタした結果や粒子線到達位置モニタ２の動作状態を表示する。

粒子線到達位置モニタ２は、ガンマ線検出器３０、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２および演算装置５０を備えている。遮蔽体４０は、ガンマ線検出器３０と被照射体２０との間に配置されている。遮蔽用検出器４２は、遮蔽体４０とガンマ線検出器３０の間に配置されている。遮蔽体４０は透過開口部４１を有している。遮蔽用検出器４２は、透過開口部４１に対応する位置、すなわち、粒子線１１が進行する照射軸ｚにおける同一の位置に欠損部３９を有している。なお、遮蔽用検出器４２が、ガンマ線を透過する材料で形成されている場合には、欠損部３９は必ずしも設けられなくてもよい。

粒子線照射装置１は、例えば、粒子線発生装置、粒子線輸送装置、照射部等（いずれも図示せず）を含んでもよい。粒子線発生装置は、サイクロトロンやシンクロトロン等の加速器を有し、陽子や炭素等の粒子線を発生する。粒子線輸送装置は、粒子線発生装置から出力された粒子線を照射部へ輸送する。照射部は、粒子線１１の照射方向および粒子線径（照射野）を制御し、被照射体２０内の標的２１、例えば腫瘍へ向けて粒子線１１を照射する。

粒子線照射装置１によって粒子線１１が被照射体２０に照射されることで、即発ガンマ線１３が発生する。ガンマ線検出器３０は、透過開口部４１および欠損部３９を通過した即発ガンマ線１３を検出する。演算装置５０は、ガンマ線検出器３０と遮蔽用検出器４２に接続されている。演算装置５０は、即発ガンマの検出結果に関する演算を実行する。

ガンマ線検出器３０は、シンチレータとシンチレータから発せられた光を電気信号に変換する光電変換器を備えてもよい。シンチレータとしては、例えば、ＬａＢｒ３、ＧＳＯ、ＬＹＳＯおよびＢＧＯ等が用いられてもよいし、これらとは異なる組成の放射線発光素子が用いられてもよい。

光電変換器としては、光電子増倍管、フォトダイオード等が用いられてよい。また、シンチレータではなく、例えば、ＣｄＴｅやＣＺＴ等の半導体検出器が用いられてもよく、この場合、ガンマ線検出器３０は光電変換器の代わりに前置増幅器が用いられる。

ガンマ線検出器３０は、複数の検出素子が少なくとも一次元方向に配列されたアレイ型の検出器である。ガンマ線検出器３０は、検出素子の配列方向が、粒子線１１の照射軸ｚに揃えられるように配置されている。これにより、ガンマ線検出器３０は、照射軸ｚに対して平行でない方向から飛来する即発ガンマ線１３を捉える。照射軸ｚの位置は、治療計画で設定されている照射の目標位置に応じて決定される。

粒子線到達位置モニタ２では、１つのガンマ線検出器３０が用いられてもよいし、後述の例に示すように、複数のガンマ線検出器３０が、照射軸ｚの周りに配置されてもよい。これにより即発ガンマ線１３の検出精度が高まる。ガンマ線検出器３０の各検出素子が検出した即発ガンマ線１３に基づく検出信号は演算装置５０に出力される。

遮蔽体４０は、ガンマ線を実質的に透過しない材料によって形成される。ガンマ線を実質的に透過しない材料としては、例えば、水銀、鉛を含む材料やタングステン等、質量数が大きく、密度の高い物質が用いられる。遮蔽体４０は、ガンマ線検出器３０の照射軸ｚ側に設置され、ガンマ線検出器３０の検出範囲を制限する。透過開口部４１はガンマ線を透過する材料で形成されてもよいし、図の上下方向に遮蔽体４０が切り込まれたスリットであってもよい。

遮蔽用検出器４２は、粒子線１１が照射された被照射体２０の体内組織から発生した中性子、Ｘ線等の放射線の粒子のうち、遮蔽体４０を通過したものを検出する。遮蔽用検出器４２には、中性子に対して高感度である有機シンチレータが用いられてよい。シンチレータとしては、例えば、プラスチックシンチレータ、有機液体シンチレータ等が用いられてもよいし、これらとは異なる組成の放射線発光素子が用いられてもよい。

ガンマ線検出器３０の各検出素子には、粒子線１１の被照射体２０への照射に伴って、透過開口部４１および欠損部３９を通過した即発ガンマ線１３が到達する。ガンマ線検出器３０が出力する検出信号は、透過開口部４１および欠損部３９を経て各検出素子に即発ガンマ線１３が到達した事象を示し、演算装置５０では、１事象に対して１つの計数が行われる。

ガンマ線検出器３０の検出素子の配列方向に沿ってガンマ線検出器３０の計数値をプロットしたものは、計数値のプロファイルあるいは単にプロファイルと定義される。プロファイルは、粒子線１１の線量分布を反映している。

演算装置５０は、ガンマ線検出器３０のプロファイルを解析し、粒子線１１の照射軸ｚ方向の線量分布において線量が最大となる位置、すなわちブラッグピーク（ＢＰ）の位置を粒子線１１の到達位置として求める。このため、演算装置５０は、ガンマ線検出器３０の検出信号を解析する信号解析部５２、再構成演算部５３および到達位置演算部５４を備えている。演算装置５０は、解析結果等を格納するデータベース（不図示）を備えてもよい。演算装置５０が実行する具体的な処理は後に述べられる。

演算装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサと、メモリとを備えたコンピュータ等によって構成される。

ＣＰＵが、メモリに格納されたコンピュータプログラムを読み込んで実行することで、信号解析部５２、再構成演算部５３および到達位置演算部５４の機能がソフトウエアによって実現される。演算装置５０は、その一部または全部の機能をハードウエアによって実現してもよい。

例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のようなプログラマブルＩＣが用いられてもよい。すなわち、プログラマブルＩＣによって、信号解析部５２、再構成演算部５３および到達位置演算部５４が構成され、その機能を実現するように回路設計が行われてもよい。

演算装置５０が実行する処理の一部または全部は、外部のコンピュータが実行してもよい。外部のコンピュータは、粒子線到達位置モニタ２に直接接続されたものでもよいし、インターネット等の通信回線に接続されたものでもよい。演算装置５０が実行する１つの処理は、分散処理を実行する外部の複数のコンピュータによって実行されてもよい。

本実施形態に係る粒子線治療システム１００では、治療計画において標的２１の位置が定まると、粒子線１１の照射軸ｚ方向に沿った線量分布が極大になるブラッグピークの位置が標的２１における照射の目標位置と一致するように、粒子線１１のエネルギが設定される。粒子線１１の照射は、標的２１を複数の小領域に分け、照射位置を変えながら、各小領域をスポット状に照射することで行われてよい。

図２には、粒子線１１の照射軸ｚ方向に沿った線量分布２００が概念的に示されている。横軸は粒子線１１の照射軸ｚを示し、縦軸は線量を示す。線量分布２００は、治療計画で計算された照射位置に粒子線１１を照射した場合において、照射軸ｚ方向における各位置に線量を対応付けたものである。照射軸ｚ方向の線量分布２００は、粒子線１１のエネルギに応じた位置で極大となる。ブラッグピークは、線量分布２００におけるピークであり、ブラッグピークの位置ＢＰが粒子線１１が到達した位置に相当する。

粒子線照射装置１が粒子線１１を標的２１へ照射すると共に、粒子線到達位置モニタ２は即発ガンマ線１３の検出を開始する。粒子線到達位置モニタ２は、ガンマ線検出器３０により検出された事象と、遮蔽用検出器４２により検出された事象とに基づき、同一時刻にガンマ線検出器３０と遮蔽用検出器４２で検出された事象をノイズとして識別する。

粒子線到達位置モニタ２は、ガンマ線検出器３０の計数からノイズを除去した上でプロファイルを解析して、ブラッグピークの位置、すなわち粒子線１１の到達位置を算出する。粒子線到達位置モニタ２により算出された粒子線１１の到達位置は、表示部５５に表示される。ユーザは、表示部５５に表示された情報によって、照射の目標位置へ粒子線１１が到達したか否かを確認してもよい。また、粒子線１１の到達位置は、粒子線制御装置１０に出力される。

標的２１に粒子線１１が当たっていないと粒子線制御装置１０が判定した場合、粒子線制御装置１０は、粒子線照射装置１に制御信号を送り、粒子線１１の照射を中止する。さらに、粒子線制御装置１０は、例えば、目標位置が変更されるように粒子線照射装置１を制御する。あるいは、粒子線制御装置１０は、被照射体２０へ粒子線１１を照射する位置が修正されるように粒子線照射装置１を制御する。さらに必要に応じて、粒子線制御装置１０は、ガンマ線検出器３０の配置位置を変更させる指示または示唆を、表示部５５に表示させてもよい。

次に、本実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２で実行される処理が説明される。粒子線到達位置モニタ２は、粒子線１１が被照射体２０へ入射した際の飛程を到達位置として測定する。ここでは、粒子線到達位置モニタ２が粒子線治療システム１００の一部として用いられた実施形態が示されているが、粒子線到達位置モニタ２は、高エネルギ物理実験に用いる装置、中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ）に用いる装置等として用いられてよい。

粒子線照射に伴い被照射体２０では即発ガンマ線１３だけでなく中性子やＸ線等の粒子（放射線）が発生する。このような放射線は、被照射体２０内や構造物で散乱し易く、粒子線到達位置の位置情報を持たないノイズとなる。特に、粒子線照射により発生した中性子はエネルギが高く、遮蔽体４０等の構造物と核反応を生じて二次粒子を放出する。そのため、遮蔽体４０のみではノイズ成分を除去しきれず、即発ガンマ線１３がノイズに埋もれてしまうことがある。

そこで、粒子線到達位置モニタ２では、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０の両者で検出された事象はノイズとして識別され、計数がなされない。

粒子線到達位置モニタ２によるブラッグピークの位置の算出方法が説明される。本実施形態では、即発ガンマ線１３を検出したガンマ線検出器３０が出力する信号と、粒子線照射により被照射体２０内で発生した中性子を検出したガンマ線検出器３０が出力するノイズとを分離した上で、即発ガンマ線１３のプロファイルが算出される。

すなわち、粒子線１１を標的２１へ照射すると即発ガンマ線１３が発生し、その即発ガンマ線１３はガンマ線検出器３０によって検出される。一方、標的２１へ粒子線１１が照射されると被照射体２０内で中性子が発生し、その中性子に由来するガンマ線もガンマ線検出器３０により検出される。中性子に由来するガンマ線は、ブラッグピークの形成に寄与しないノイズであるため、即発ガンマ線１３による検出信号と区別される。

実際の治療時には、治療計画で予め定められた位置に、ガンマ線検出器３０と遮蔽体４０が設置される。各々の粒子線照射の目標位置に対し、照射軸ｚと平行な検出器軸ｘにおける検出素子の位置ｘ＝ｘ１～ｘＮが予め定められる。

図３（ａ）には、遮蔽用検出器４２から出力される参照検出信号の時間波形の概形が示されている。図３（ｂ）には、ガンマ線検出器３０における１つの検出素子から出力される検出信号の時間波形の概形が示されている。被照射体２０で発生し、遮蔽体４０の透過開口部４１および遮蔽用検出器４２の欠損部３９を通過してガンマ線検出器３０に到達した即発ガンマ線１３は、ガンマ線検出器３０で検出される。一方、この即発ガンマ線１３は、遮蔽体４０による遮蔽によって遮蔽用検出器４２では検出されない。また、被照射体２０で発生した中性子、Ｘ線等（以下、中性子等とされる）の放射線は、遮蔽体４０および遮蔽用検出器４２を通過してガンマ線検出器３０へ到達し、ガンマ線検出器３０で検出される。この放射線は、遮蔽用検出器４２でも検出される。

演算装置５０における信号解析部５２は、遮蔽用検出器４２から参照検出信号が出力されているときに、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号をノイズであると識別する。信号解析部５２は、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号のうちノイズであると識別したものは、無効として計数値に寄与させない。

具体的には、信号解析部５２は、参照検出信号が遮蔽用検出器４２から出力された時から時間Δｔが経過するまでの間に、ガンマ線検出器３０から出力された検出信号を無効とし、この検出信号を計数しない。図３（ａ）および（ｂ）に示されている例では、参照検出信号Ｒが遮蔽用検出器４２から出力されていない時に、ガンマ線検出器３０から検出信号Ａが出力されている。そして、参照検出信号Ｒが遮蔽用検出器４２から出力されてからΔｔが経過するまでの間に、ガンマ線検出器３０から検出信号Ｂが出力されている。したがって、信号解析部５２は検出信号Ａを計数するものの、検出信号Ｂはノイズであると識別して検出信号Ｂを計数しない。

なお、ガンマ線検出器３０が放射線を検出してから、信号解析部５２が検出信号を取得するまでの遅延時間と、遮蔽用検出器４２が放射線を検出してから、信号解析部５２が参照検出信号を取得するまでの遅延時間には相違があることがある。後述するように、信号解析部５２は、このような遅延時間の相違を補償した上でノイズの識別および即発ガンマ線１３の計数を実行する。ここでは、説明を簡略化するため、遅延時間の相違が補償されているものとして説明がされている。

信号解析部５２は、検出器軸ｘ上の座標値ｘ＝ｘ１～ｘＮの位置にあるＮ個の検出素子のそれぞれについて、ノイズであると識別された検出信号を除いた計数値を求め、各検出素子について求められた計数値を再構成演算部５３に出力する。再構成演算部５３は、検出器軸ｘ上のＮ個の検出素子の位置に計数値を対応付けた計数値分布を再構成することによって、粒子線１１の照射軸ｚ上に即発ガンマ線１３の線量を対応付けた測定線量分布を求める。ここで、再構成は、照射軸ｚ上の各位置、透過開口部４１の位置、および検出器軸ｘ上での各検出素子の位置の幾何学的関係に基づいて、計数値分布から測定線量分布を求める演算である。再構成演算部５３は、測定線量分布を示す情報を到達位置演算部５４に出力する。

なお、粒子線１１をスキャニングする場合、粒子線１１とガンマ線検出器３０との間の距離および角度が変化する。そこで、信号解析部５２は、粒子線１１のスキャニングに合わせて、計数値分布を修正してもよい。

到達位置演算部５４は、予め定められた照射軸ｚ上の基準位置（ｚ＝０）に粒子線１１が到達した場合における線量分布である基準線量分布を記憶している。基準線量分布のブラッグピークは基準位置にある。到達位置演算部５４は、基準線量分布に対する測定線量分布のシフト量を求める。

シフト量は、基準線量分布に対して、測定線量分布が照射軸ｚ方向にずれている距離（シフトしている距離）を示す。シフト量は、照射軸ｚにおけるブラッグピークの位置を示す。到達位置演算部５４は、基準線量分布に対する測定線量分布のシフト量、すなわち、ブラッグピークの位置を求め、粒子線１１の到達位置を求める。シフト量は、基準線量分布を基準とした最大値のずれや、変曲点のずれに基づいて求められてよい。

図４には粒子線１１の到達位置を求める処理を示すフローチャートが示されている。粒子線照射装置１は、標的２１へ粒子線１１を照射する（Ｓ４１）。ガンマ線検出器３０および遮蔽用検出器４２は、標的２１への粒子線１１の照射に応じて発生した放射線を検出し、それぞれ、検出信号および参照検出信号を信号解析部５２出力する（Ｓ４２）。

信号解析部５２は、遮蔽用検出器４２から参照検出信号が出力された時から時間Δｔが経過するまでの間に、ガンマ線検出器３０から出力された検出信号をノイズであると識別する（Ｓ４３）。信号解析部５２は、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号のうちノイズであると識別したものは無効として計数値に寄与させず、その他の有効な検出信号を計数する（Ｓ４４）。信号解析部５２は、各検出素子について求められた計数値を再構成演算部５３に出力する。

再構成演算部５３は、各検出素子について求められた計数値に基づいて計数値分布を求める（Ｓ４５）。再構成演算部５３は、計数値分布を再構成することで測定線量分布を求める（Ｓ４６）。到達位置演算部５４は、基準線量分布に対する測定線量分布の照射軸ｚ方向のシフト量を求め、粒子線１１の到達位置を求める（Ｓ４７）。

演算装置５０は、粒子線１１の到達位置を表示部５５に表示させる。ユーザは、表示部５５に表示された到達位置を確認することで、治療が適切に行われているか否かを確認してもよい。ユーザは、粒子線１１の照射位置を変更しながら、実際の到達位置が目標位置となるように粒子線照射装置１を調整してもよい。

このように、本発明の実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２は、以下の各構成要素を備えることで、被照射体２０へ入射する粒子線１１の到達位置を求める。すなわち、粒子線到達位置モニタ２は、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０を備えている。遮蔽体４０は透過開口部４１を有する。遮蔽用検出器４２は、遮蔽体４０の後方に配置されている。ここで、後方は、粒子線到達位置モニタ２から被照射体２０側を見た方向を前方とした場合の方向を示す。ガンマ線検出器３０は、遮蔽用検出器４２の後方に設けられており、粒子線１１の照射軸ｚ方向に配列された複数の検出素子を備えている。

粒子線到達位置モニタ２は演算装置５０を備えている。演算装置５０は、遮蔽用検出器４２から参照検出値が出力されたときに、検出素子から出力された主検出値を無効とする。ここで、参照検出値および主検出値は、それぞれ、参照検出信号および検出信号が示す値である。演算装置５０は、各検出素子から出力された主検出値のうち、無効とされなかった主検出値に基づいて到達位置を求める。

演算装置５０は、各検出素子から出力された主検出値のうち無効とされなかった主検出値と、各検出素子および透過開口部４１の位置関係とに基づいて、照射軸ｚ方向に沿った即発ガンマ線１３の測定線量分布（線量分布）を求める。演算装置５０は、測定線量分布に基づいて到達位置を求める。すなわち、演算装置５０は、各検出素子および透過開口部４１の位置関係に基づいて計数値分布を再構成し、照射軸ｚ方向に沿ったガンマ線の線量分布を求める。

粒子線到達位置モニタ２では、次の（ｉ）～（ｖｉ）の過程を含む粒子線到達位置モニタ方法が実行される。粒子線到達位置モニタ方法は、被照射体２０へ入射する粒子線１１の到達位置を求める方法である。

（ｉ）複数の検出素子を備えるガンマ線検出器３０を、検出素子の配列方向が粒子線１１の照射軸ｚ方向に揃えられるように配置すること。（ｉｉ）照射軸ｚとガンマ線検出器３０との間に、照射軸ｚに交差する方向に即発ガンマ線１３が通過する透過開口部４１が設けられた遮蔽体４０を配置すること。（ｉｉｉ）遮蔽体４０とガンマ線検出器３０との間に、遮蔽体４０を透過したノイズを検出する遮蔽用検出器４２を配置すること。（ｉｖ）遮蔽用検出器４２から参照検出値が出力されたときに検出素子から出力された主検出値を無効とすること。（ｖ）各検出素子から出力された主検出値のうち無効とされなかった主検出値と、各検出素子および透過開口部４１の位置関係とに基づいて、ガンマ線の照射軸ｚ方向に沿った線量分布を求めること。（ｖｉ）測定線量分布に基づいて到達位置を求めること。

本実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２によれば、被照射体２０で発生する中性子等によるノイズの影響が抑制され、粒子線の到達位置が高精度に求められる。

したがって、例えば、粒子線照射中の患者の姿勢変化や患者の体形の変化等により、腫瘍の位置が治療計画とは異なる位置にある場合に、粒子線の照射位置を変更したり、粒子線の照射を中止したりすることが容易となる。また、例えば、腫瘍の近傍に放射線感受性の高い臓器が存在するケースでも、粒子線治療を適用する可能性が高められる。

本実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２では、上記の特許文献１および２に記載の技術に認められる課題が解決される。特許文献１に記載の技術では、即発ガンマ線と中性子とでは飛行時間差があることから、照射タイミングと同期したタイムゲートを設けた計測により、中性子由来の信号（ノイズ）を低減することが可能であることが記載されている。しかしながら、上述の飛行時間差以上の時間で、粒子線を１回で照射する場合、信号とノイズとを区別できない。一方、本実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２では、粒子線の照射回数に関わらず、検出信号がノイズであるか否かが識別され得る。

特許文献２に記載の技術では、到来する粒子のエネルギを１０ＭｅＶ以上とすることで、粒子線の照射軸上から発生したガンマ線信号のみを検出可能である。しかし、ガンマ線のエネルギの条件等によっては、検出器において電子対が生成される確率が低下し、検出感度が低下する。一方、本実施形態に係る粒子線到達位置モニタ２の測定原理は、電子対の生成によるものではないため、このような問題は生じない。

上述のように、ガンマ線検出器３０が放射線を検出してから、信号解析部５２が検出信号を取得するまでの遅延時間と、遮蔽用検出器４２が放射線を検出してから、信号解析部５２が参照検出信号を取得するまでの遅延時間には相違があることがある。ここでは、このような遅延時間の相違を補償するための較正モードの動作が説明される。較正モードの動作は、粒子線の到達位置を測定する測定モードの動作とは別に実行される。

図５のフローチャートには、較正モードの動作（Ｓ５１～Ｓ５３）が示されている。較正モードの動作は、ガンマ線検出器３０が備える複数の検出素子のそれぞれに対して実行される。較正モードでは、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０に外部トリガ信号が同時に入力され、各外部トリガ信号が信号解析部５２で取得されたタイミングの差異が計測される。

遮蔽用検出器４２とガンマ線検出器３０に外部トリガ信号が同時に入力される（Ｓ５１）。信号解析部５２は、遮蔽用検出器４２から出力された外部トリガ信号が信号解析部５２で取得された第１時刻と、ガンマ線検出器３０から出力された外部トリガ信号が信号解析部５２で取得された第２時刻との時刻差を求める（Ｓ５２）。時刻差は、第１時刻から第２時刻を減算した時間であってもよいし、第２時刻から第１時刻を減算した時間であってもよい。信号解析部５２は時刻差を記憶する（Ｓ５３）。

演算装置５０は、信号解析部５２が記憶した時刻差に基づいて、検出信号および参照検出信号の時間軸上での差異を、時刻差に基づいて補償した上で測定モードの動作を実行する（Ｓ５４）。

信号解析部５２は、次のような動作を実行してもよい。すなわち、信号解析部５２は、ガンマ線検出器３０および遮蔽用検出器４２からそれぞれ出力された検出信号および参照検出信号を時刻に対応付けて、時刻データとして記憶する。信号解析部５２は、参照検出信号を時間軸上で時刻差だけ遅延させて記憶する。あるいは、信号解析部５２は、検出信号を時間軸上で時刻差だけ進めて記憶する。ここで、時刻差は、第１時刻から第２時刻を減算した時間（検出信号に対する参照検出信号の進みを表す時間）である。

なお、時刻差が、第２時刻から第１時刻を減算した時間である場合には、信号解析部５２は、検出信号を時間軸上で時刻差だけ遅延させて記憶する。あるいは、信号解析部５２は、参照検出信号を時間軸上で時刻差だけ進めて記憶する。測定モードでは、時刻差に基づき遅延時間の補償が実行された時刻データに基づいて、図４のフローチャートによって示される処理が実行されてよい（Ｓ５４）。

このように、粒子線到達位置モニタ２が較正モードで動作するときは、遮蔽用検出器４２および各検出素子は、同一事象を検出する。信号解析部５２は、遮蔽用検出器４２および各検出素子で同一事象が検出されたときに、検出信号が示す主検出値、および参照検出信号が示す参照検出値が演算装置５０で取得される時刻の差異である時刻差を求める。粒子線到達位置モニタ２が測定モードで動作するときには、演算装置５０は、主検出値および参照検出値の時間軸上での差異を時刻差に基づいて補償した上で、粒子線１１の到達位置を求める。

図６には、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０に入力され、信号解析部５２で取得された各外部トリガ信号の概念図が示されている。図６（ａ）には、遮蔽用検出器４２に入力され、信号解析部５２で取得された外部トリガ信号Ｔｒ１が示されている。図６（ｂ）には、ガンマ線検出器３０に入力され、信号解析部５２で取得された外部トリガ信号Ｔｒ２が示されている。各図の横軸は時間を示し、縦軸は波高値を示す。外部トリガ信号Ｔｒ１が取得された第１時刻ｔ１から外部トリガ信号Ｔｒ２が信号解析部５２で取得された第２時刻ｔ２を減算した時刻差δが信号解析部５２に記憶される。

ここでは、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０に信号に対する同一事象として、外部トリガ信号を各検出器（４２，３０）に同時に入力する処理が示された。このような処理に代えて、遮蔽用検出器４２とガンマ線検出器３０に、同時に放射線を検出させてもよい。例えば、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０との間の領域で２２Ｎａを崩壊させることで、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０に同時に検出されるガンマ線を発生させる工程が実行されてもよい。

図７には測定モードにおけるその他の動作例を示すフローチャートが示されている。ステップＳ７１、Ｓ７２およびＳ７５～Ｓ７７では、それぞれ、図４のフローチャートに示されたステップＳ４１、Ｓ４２およびＳ４５～Ｓ４７と同様の処理が実行される。

粒子線照射装置１は、標的２１へ粒子線１１を照射する（Ｓ７１）。ガンマ線検出器３０および遮蔽用検出器４２は、標的２１への粒子線１１の照射に応じて発生した放射線を検出し、それぞれ、検出信号および参照検出信号を信号解析部５２に出力する（Ｓ７２）。

信号解析部５２は、遮蔽用検出器４２から参照検出信号が出力された時から時間Δｔが経過するまでの間、信号値がハイになり、その他の時間帯でローになるゲート信号を生成する（Ｓ７３）。演算装置５０は、ゲート信号がハイである間、ガンマ線検出器３０による放射線の検出を停止する。これによって、信号解析部５２は、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号のうちゲート信号がハイであるときに取得されたものは無効として計数値に寄与させず、その他の有効な検出信号を計数する。すなわち、信号解析部５２は、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号のうちゲート信号がローであるときに取得されたものを計数する（Ｓ７４）。信号解析部５２は、各検出素子について求められた計数値を再構成演算部５３に出力する。

再構成演算部５３は、各検出素子について求められた計数値に基づいて計数値分布を求める（Ｓ７５）。再構成演算部５３は、計数値分布を再構成することで測定線量分布を求める（Ｓ７６）。到達位置演算部５４は、基準線量分布に対する測定線量分布の照射軸ｚ方向のシフト量を求め、粒子線１１の到達位置を求める（Ｓ７７）。

ゲート信号がハイであるときは、中性子等のノイズが遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０で検出されている可能性がある。したがって、本動作によれば、ガンマ線検出器３０が出力した検出信号のうちノイズである可能性のあるものは無効となり計数値に寄与しない。これによって、被照射体２０で発生する中性子等によるノイズの影響が抑制され、粒子線１１の到達位置が高精度に求められる。

図８には、遮蔽体４０および遮蔽用検出器４２の変形例が示されている。この変形例では、遮蔽体４０に３つの透過開口部４１が設けられている。遮蔽用検出器４２には、遮蔽体４０における透過開口部４１に対応する位置、すなわち、透過開口部４１の位置と同一の位置に欠損部３９が設けられている。

このように、遮蔽体４０に複数の透過開口部４１が設けられ、遮蔽用検出器４２に複数の欠損部３９が設けられることで、透過開口部４１および欠損部３９が１つずつ設けられる場合に比べて、ガンマ線検出器３０で検出される放射線の事象数が増加する。これによって、より多くの事象によって到達位置が求められることとなり、到達位置がより正確に求められる。

図９には、遮蔽用検出器の変形例が模式的に示されている。この図は、図８に示されている遮蔽体４０を取り除き、遮蔽用検出器６０を照射軸ｚ側から眺めた図である。遮蔽用検出器６０は、欠損部３９によって分離された複数の発光部６２を有している。各発光部６２は、放射線を検出したときに光を発生する。

図９に示される例では、遮蔽用検出器６０は３つの欠損部３９を有し、３つの欠損部３９によって分離された４つの発光部６２を有している。また、遮蔽用検出器６０は、光を電気信号に変換する変換器としての光電子増倍管６６と、各発光部６２と光電子増倍管６６とを接続する光伝搬路６４を備えている。

各発光部６２は、シンチレータによって構成されている。複数の発光部６２と光電子増倍管６６とを接続する複数の光伝搬路６４は、同一の光路長を有している。各光伝搬路６４は、光ファイバで形成されてよい。発光部６２で放射線が検出されると、発光部６２は光を発生する。発光部６２で発生した光は光伝搬路６４を伝搬して光電子増倍管６６に到達する。

このように、遮蔽用検出器６０は、変換器としての光電子増倍管６６と、複数の光伝搬路６４とを備えている。光電子増倍管６６は、複数の発光部６２から出力された光を電気信号に変換する。複数の光伝搬路６４は、複数の発光部６２と光電子増倍管６６との間に設けられ、光を同一の伝搬時間で伝搬させる。

光電子増倍管６６は、複数の光伝搬路６４のそれぞれから到来した光を電気信号に変換する。光電子増倍管６６によって生成される電気信号は、複数の光伝搬路６４のそれぞれから到来した光の論理和（ＯＲ）に相当する。光電子増倍管６６は、参照検出信号としての電気信号を信号解析部５２に出力する。

各発光部６２と光電子増倍管６６とは、同一の光路長を有する光伝搬路６４によって接続されている。したがって、各発光部６２で検出された同一の事象に基づく光が同時に光電子増倍管６６に到達する。これによって、１つの発光部６２を用いる場合に比べて、確実に放射線が検出され、粒子線１１の到達位置が確実に求められる。

図１に示される粒子線到達位置モニタ２は、被照射体２０、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０の位置関係に応じて、粒子線１１の到達位置の照射軸ｚ上の測定可能な範囲が定まる。しかし、標的２１の位置は、被照射体２０の広い範囲に存在し得る。

そこで、粒子線到達位置モニタ２は、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０を粒子線１１の照射軸ｚ方向と平行に移動させる移動機構を備えてもよい。移動機構は、ユーザの操作に応じて演算装置５０によって制御されてよい。移動機構は、標的２１が測定可能範囲に入るように、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０の照射軸ｚ方向の位置を調整する。

図１０には、複数の検出ユニット２５が、照射軸の周囲に配置された実施形態が示されている。各検出ユニット２５は、遮蔽体４０、遮蔽用検出器４２およびガンマ線検出器３０を備えている。演算装置５０は、各検出ユニット２５ごとに粒子線１１の到達位置を求める。各検出ユニット２５ごとに粒子線１１の到達位置を求める処理では、ノイズとして識別された放射線は無効とされ、計数値に寄与しない。演算装置５０は、各検出ユニット２５に対して得られた到達位置の平均値、中央値等の統計値に基づいて、総合的な到達位置を求める。

このような構成によれば、複数の検出ユニット２５によって求められた複数の到達位置の統計的な処理に基づいて、総合的な到達位置が求められる。これによって、測定精度が向上する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。これらの実施形態に対しては、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等が行われてよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 粒子線照射装置、２ 粒子線到達位置モニタ、１０ 粒子線制御装置、１１ 粒子線、１３ 即発ガンマ線、２０ 被照射体、２１ 標的、２５ 検出ユニット、３０ ガンマ線検出器、３９ 欠損部、４０ 遮蔽体、４１ 透過開口部、４２，６０ 遮蔽用検出器、５０ 演算装置、５２ 信号解析部、５３ 再構成演算部、５４ 到達位置演算部、５５ 表示部、６２ 発光部、６４ 光伝搬路、６６ 光電子増倍管、１００ 粒子線治療システム、２００ 線量分布。

Claims (11)

1. 被照射体へ入射する粒子線の到達位置を求める粒子線到達位置モニタにおいて、
   透過開口部を有する遮蔽体と、
   前記遮蔽体の後方に配置された遮蔽用検出器と、
   前記遮蔽用検出器の後方に設けられたガンマ線検出器であって、前記粒子線の照射軸方向に配列された複数の検出素子を備えるガンマ線検出器と、
   を備えることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
2. 請求項１に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   演算装置であって、
   前記遮蔽用検出器から参照検出値が出力されたときに前記検出素子から出力された主検出値を無効とし、
   各前記検出素子から出力された前記主検出値のうち無効とされなかった前記主検出値に基づいて、前記到達位置を求める、演算装置を備えることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
3. 請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記演算装置は、
   各前記検出素子から出力された前記主検出値のうち無効とされなかった前記主検出値と、各前記検出素子および前記透過開口部の位置関係とに基づいて、ガンマ線の前記照射軸方向に沿った線量分布を求め、
   前記線量分布に基づいて、前記到達位置を求めることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
4. 請求項３に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記演算装置は、
   各前記検出素子から出力された前記主検出値のうち無効とされなかった前記主検出値に基づいて、ガンマ線の前記検出素子の配列方向に沿った計数値分布を求め、
   前記位置関係に基づいて前記計数値分布を再構成し、前記線量分布を求めることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
5. 請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   較正モードまたは測定モードのいずれかで動作し、
   前記粒子線到達位置モニタが前記較正モードで動作するときは、
   前記遮蔽用検出器および各前記検出素子は、同一事象を検出し、
   前記演算装置は、前記遮蔽用検出器および各前記検出素子で前記同一事象が検出されたときに、前記主検出値および前記参照検出値が前記演算装置で取得される時刻の差異である時刻差を求め、
   前記粒子線到達位置モニタが前記測定モードで動作するときには、
   前記演算装置は、
   前記主検出値および前記参照検出値が取得される時刻の差異を、前記時刻差に基づいて補償した上で、前記到達位置を求めることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
6. 請求項１または請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記遮蔽用検出器は、前記透過開口部に対応する位置に欠損部を有することを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
7. 請求項１または請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記遮蔽用検出器は、プラスチックシンチレータを含むことを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
8. 請求項１または請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記遮蔽用検出器は、
   放射線を検出したときにそれぞれが光を発生する複数の発光部を備え、
   前記粒子線到達位置モニタは、
   複数の前記発光部から出力された光を電気信号に変換する変換器と、
   複数の前記発光部と前記変換器との間に設けられ、光を同一の伝搬時間で伝搬させる複数の光伝搬路と、
   を備えることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
9. 請求項１または請求項２に記載の粒子線到達位置モニタにおいて、
   前記遮蔽体、前記遮蔽用検出器および前記ガンマ線検出器を前記照射軸方向に沿って移動させる移動機構を備えることを特徴とする粒子線到達位置モニタ。
10. 請求項１または請求項２に記載の粒子線到達位置モニタと、
    前記被照射体に前記粒子線を照射する粒子線照射装置と、
    を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
11. 被照射体へ入射する粒子線の到達位置を求める粒子線到達位置モニタ方法において、
    複数の検出素子を備えるガンマ線検出器を、前記検出素子の配列方向が前記粒子線の照射軸方向に揃えられるように配置し、
    前記照射軸と前記ガンマ線検出器との間に、前記照射軸に交差する方向にガンマ線が通過する透過開口部が設けられた遮蔽体を配置し、
    前記遮蔽体と前記ガンマ線検出器との間に、前記遮蔽体を透過したノイズを検出する遮蔽用検出器を配置し、
    前記遮蔽用検出器から参照検出値が出力されたときに前記検出素子から出力された主検出値を無効とし、
    各前記検出素子から出力された前記主検出値のうち無効とされなかった前記主検出値と、各前記検出素子および前記透過開口部の位置関係とに基づいて、前記照射軸方向に沿ったガンマ線の線量分布を求め、
    前記線量分布に基づいて前記到達位置を求めること、
    を含む粒子線到達位置モニタ方法。