JP2005513486A - 放射線場の強度分布を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射線場（２３）の強度分布を測定するための方法及び装置に関する。この方法においては、放射線場（２３）によって惹起されたイオン化は、イオン化チャンバー（１０）内に配置された平行なイオン化検出器平面（１１．１、１１．２）によって検出される。それらのイオン化検出器平面のうちの２つ（１１．１、１１．２）は、イオン化事象のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）で形成して、該２つの検出器平面（１１．１、１１．２）がイオン化事象のＸ及びＹ座標Ｘ_１、Ｙ_１を示す。イオン化事象は、記放射線（２３）から生じる光核反応生成物を介して惹起される。

Description

本発明は、放射線場の強度分布を測定するための方法及び装置に関する。この装置は、イオン化チャンバー（電離箱）内に配置された少くとも２つの平行なイオン化検出器平面を有し、それらの検出器平面は、イオン化事象のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する一連（直列）のワイヤ配列で形成されており、該２つの検出器平面がイオン化事象のＸ及びＹ座標を示す態様に配置されるように測定電子装置（測定エレクトロニクス）に接続されている。

患者治療（医療）装置の測定及びその他の品質管理計測器の規則的な、十分に正確な、緻密な性能は、信頼しうる放射線療法の基本である。この仕事（放射線治療）の条件及び要望の変化に伴って、外的放射線療法、粒子加速器、及び、放射線療法チェーンに関連する装置が開発されたことにより、放射線療法に従事する人々に新しい課題が提起された。

病院の医師は、勤務時間と既存の人員スタッフの制約内で職務を遂行することは困難である。測定装置が複雑であり、かつ、測定のために複雑な準備が必要とされるため、現行の装置を用いて患者治療装置の品質管理測定（品質管理又は品質制御のための測定）を行うには長い時間を要する。測定を行うために病院医師の全勤務時間がとられてしまい、他の職務を遂行する時間が残らなくなってしまう。更に、放射線治療装置のための品質管理プログラムで規定された測定は、通常の勤務時間にはその装置が治療のために使用されているので、勤務時間中に実施することができない。

要望が変化してきていることに加えて、データ管理及びデータベースシステムが開発されたことからも、病院医師の仕事を迅速化し簡略化する測定装置を開発することへの要請が高まってきている。

患者治療装置の品質管理測定のために現在使用されている現行技術による改良装置の１例は、いわゆるウォーターファントム（内部に水を満たした人体模型）である。ウォーターファントムは、水を満たしたプレキシガラスの箱から成り、その内部でＸ−Ｙ平面上の放射線場の強度を測定するイオン化検出器が動かされる。イオン化検出器（通常、１〜２４個）は、櫛形に配置される。

検出器の平面移動は、Ｘ方向又はＹ方向のどちらかに限定することができ、Ｚ方向のいろいろな異なる深さのところで繰り返される。検出器の数が少数であるため、位置測定は、数ｃｍ程度の精度に過ぎない。検出器の個数を増やせば、装置の価格を大きく増大させることになり、必要とされる複雑なエレクトロニクスの量も多くなる。

特定の検出器を用いて行われる測定には数時間も要することがあり、その間にいろいろな要素のうちでも特に周囲温度が変化し、それと同時に検出器のイオン化チャンバー内のガス圧を変えてしまうことがある。それによって生じる測定誤差を後に補償することは困難であるし、いずれにしても、測定の信頼性を低下させることになる。

上記のことに加えて、現行技術によるウォーターファントムは、検出器の放射線場を掃引するという測定原理に因っているので、時間から独立して（時間と無関係に）は場の強度分布を測定することはできない。ほとんどすべての最近の粒子加速器（以下、単に「加速器」とも称する）は、時間依存性であり、いわゆる動的放射線場加速器であるから、場の強度分布を測定することができることが極めて望ましい。

現行技術水準を代表する第２のデバイスは、通常１０未満のイオン化チャンバーから成る平面検出器である。この検出器は、放射線場の安定性、均一性及び対称性をチェックするために高速、品質保証測定態様で用いられる。しかしながら、このデバイスの位置分解能は貧弱で、数ｃｍ単位の精度であり、動的放射線場における位置の微小な変化を測定することができない。

現行の技術水準では、最新の検出器でさえも、加速器及びその他の測定及び分析デバイスの開発より相当に遅れているということができる。現在知られているデバイスが時代遅れであるという事実は、極めて簡単なユーザーインタフェースにもみられる。

現行技術水準を代表する第３のデバイスは、米国特許第４，４８５，３０７号に開示されている。このデバイスは、人間の器官内の放射性同位元素診断法のためのものであり、ガス充填チャンバー内に設定されたＸＹ平面検出器は、２つの陰極層で形成されている。陰極層は、一方向に延長し、互いに等間隔に配置された複数のワイヤから成る。陰極層のワイヤの向きは、それらのワイヤに基づいて放射線のＸＹ位置を測定することができるように設定される。しかしながら、このタイプの装置は、動的放射線場を創生する近代的な高エネルギー放射線療デバイスの放射線場の形状をリアルタイムで測定するという点では貧弱な能力しか有していない。更に、放射性同位元素診断法は、例えば放射線場のエネルギー特性及び強度という点では、患者治療装置のそれに比べて全く異なる低レベルの動作環境を有する。従って、米国特許第４，４８５，３０７号に開示された装置は、例えば加速器環境で使用することはできない。
米国特許第４，４８５，３０７号

本発明は、患者治療装置の品質をモニターするのに適した全く新しいタイプの装置を提供することを目的とする。この装置は、静的放射線場と動的放射線場の両方の測定を簡単かつ迅速に行うことができ、線量測定（イオン化即ち電離した放射線量の測定）における人為ミスのおそれを排除する。本発明は、又、この装置に使用するための方法であって、イオン化チャンバーの動作原理を用いて高エネルギー放射線場の形状を測定することを可能にする方法にも関する。本発明による方法の特徴は、請求項１に記載され、装置の特徴は、請求項４に記載されている。

本発明による方法では、放射線場の形状を測定するために放射線から生じる光核反応が用いられる。本発明の装置は、光反応変換器を含む。本発明の好ましい一実施形態では、光反応生成物の進行方向を平行化（コリメート）し、それによって装置の位置測定精度を高める。本発明の別の好ましい実施形態では、光反応変換器を１つ又は数種の物質の層で形成することができ、それによって、この装置によって検査されるエネルギー領域及び放射線強度に対する感度を変更することができるようにする。

本発明による装置は、現在知られている装置を用いた場合より測定操作自体を相当に迅速にするので、なかんずく、病院スタッフの意欲を高めその仕事を著しく有意義なもとする。

従来技術に比べて、本発明の装置を用いることによって、放射線場のリアルタイムの画像が１回の測定で迅速に創生される。このことは、又、現行の患者治療技術を用いて得られた動的放射線場の時間依存度を算定することを可能にし、装置を周囲環境に生じる変化に対して中立にすることができる。かくして、本発明による測定は、従来技術によるものより相当に信頼性が高く、その位置測定精度も優れている。加えて、放射線場の形状は、加速器及びそのパラメータを調節することによって変更することができる。

本発明による装置は、放射線の損傷によって影響されることがなく、なかんずく、遮蔽効果が小さいことと、広大な放射線場であっても容易に測定できる等の利点を有する。又、本発明の装置は、現行技術による装置に比べて、必要とするエレクトロニクスが簡単で安価であるという特徴を有する。本発明の装置のその他の特徴は、請求項の記載からも明らかになろう。

以下に、添付図を参照して本発明による装置を説明するが、この装置の構造は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１及び２は、本発明による装置の一実施形態の簡略化された動作原理を示す。装置のケースは、例えば長さ３０ｃｍ、高さ１ｃｍのイオン化チャンバー（電離箱）１０によって構成される。イオン化チャンバー１０には、ｎ−ペンタンのようなイオン化用ガスが負圧として充填されている。チャンバー１０の充填ガスとしては、不活性ガス、又は炭化水素、又は通常はそれらの混合物又は化合物を用いることができる。負圧（例えば、１−６Ｔｏｒｒ）を用いることによりイオン化チャンバー１０の側壁を僅かに丸みを帯びたものとする。

図１、２に示された実施形態では、電子を排除し、正のガス分子を吸着する陰極平面として機能する陰極検出器平面１２は、電源２１の負電位２１．１に接続された例えばウォルフラム（タングステン）のワイヤ（直径１００μｍ）１２．１、１２．２で形成されており、イオン化チャンバー１０内に配置されている。放射線によって惹起されるオン化に因りイオン化チャンバー１０内に生じる電流インパルスｔを測定電子装置１８’に伝導するために信号ワイヤ１３．３が陰極平面１２に接続されている。

陽極として機能し電子を吸着する検出器平面１１．１と１１．２は、電源２１の電位２１．２に接続され、陰極平面１２に対して、例えばその上下に僅かに（例えば、７〜８ｍｍ）離隔させて平行に配置される。電源２１の電位２１．２は、陰極平面１２に接続されている電位２１．１とは反対符号の正電位である。

陽極検出器平面１１．１、１１．２は、それぞれ、互いに一定距離離隔させた平行なワイヤ１４．１及び１４．２で形成されており、その素材は、例えば直径２０〜４０μｍの金メッキされたウォルフラムとすることができる。好ましくは、陽極平面１１．１、１１．２は、イオン化チャンバー１０内に、陽極平面１１．１のワイヤ１４．１が陽極平面１１．２のワイヤ１４．２に対して直角に向けられ、検出器平面１１．１がＸ方向を画定し、検出器平面１１．２がＹ方向を画定するように配置される。図示の例の装置では、各陽極平面１１．１、１１．２のワイヤ１４．１、１４．２の本数は１００本であり、合計１０，０００の交差点を形成する。隣接するワイヤ間の間隔は、例えば１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜７ｍｍとすることができる。

陰極平面１２及びその上下両側に設置された陽極平面１１．１、１１．２は、イオン化チャンバー１０の、放射線場２３の入射方向に実質的に直面（直角に対面）する壁１０．１に平行になるように配置される。

好ましい実施形態では、陽極平面１１．１、１１．２を形成するワイヤ１４．１と１４．２は、それらのワイヤに対して直角に遅延素子１５によって該陽極平面の一端において互いに接続されている。遅延素子１５は、陽極平面１１．１、１１．２の連続的に接続された遅延線１７．１、１７．２を形成する。遅延素子１５は、それらの中を通る電荷の既知の速度によって特徴づけられる。

図１及び２に示された遅延線１７．１、１７．２は、模式図的に描かれているが、実際には、遅延素子１５及びそれらによって形成される遅延線１７．１、１７．２は、ワイヤ列を形成する一連の隣接するワイヤ配列１４．１、１４．２によってインプリメント（構成）されており、各ワイヤ列１４．１、１４．２に対して、遅延素子１５は、集積半導体素子（図示せず）と、連続的に設置され、図１及び２に示される遅延線１７．１、１７．２を形成する半導体素子によって構成される。

図１及び２に示された好ましい実施形態によれば、遅延線１７．１、１７．２の一端は、陽極平面１１．１、１１．２の端縁に近接するワイヤ１４．１’、１４．２’に終端している。遅延素子１５は、陽極平面の端縁に近接するワイヤ１４．１’、１４．２’からスタートして、陽極平面１１．１、１１．２のワイヤ１４．１と１４．２を互いに接続し、かつ、陽極平面１１．１、１１．２の反対側の端縁のワイヤ１４．１^＊と１４．２^＊に接続しており、放射線によってイオン化チャンバー内に生じる電流パルスＸ_１、Ｘ_２が遅延線１７．１、１７．２によって測定電子装置１８’へ導かれるようになされている。

各ワイヤ１４．１、１４．２から測定電子装置１８’へ別個の線を配線する実施形態も可能であるが、そのような構成は、装置を相当に複雑にする。

本発明の装置の動作は患者治療デバイスによって発射される高エネルギー放射線の観察に基づくものであるため、放射線の高エネルギー及び高強度によって分解能の問題が生じる。以下にその背景を詳細に検証する。

患者治療に現在用いられている加速器（例えば、ライナック即ち線形加速器）を使用した場合、その放射線は、通常、１ｋｇの空気中で毎秒約２・１０^１５対のイオンを創出する。これは、ＮＴＰ（常温気圧）条件下の空気１ｃｍ^３（空気密度１，２９３ｍｇ／ｃｍ^３）中で毎秒約２・１０^９対のイオンが生じるのに相当する。

検出器にまで進入した放射線の量は、例えば、いろいろな異なるエネルギーレベルの散乱光子の角度分布を算出するためのクライン‐仁科公式を用いることによって算定することができる。その場合、１０ＭｅＶ（メガ電子ボルト）の光子の９０％以上はそれらの進入方向に対して１０°未満の角度で散乱することが認められる。その散乱が例えば２°程度の散乱角では平均的なものであるとすると、１個の光子の散乱で放出されるエネルギーは、１２０ｋｅＶ（キロ電子ボルト）である。これは、ＮＴＰ条件下の空気１ｃｍ^３中で毎秒ほぼ６００，０００回の光子の相互作用が生じるのに相当する（同じ光子は１回だけしか相互作用しない）。

本発明によるイオン化チャンバー１０は、図示の例では、上記計算例で用いられた有効容積の１０００倍以上の有効容積（約２．５リットル）を有する。これは、図示の例の装置の測定電子装置１８’の限界容量の１ＭＨｚを越える６００ＭＨｚ以上の周波数となることを意味する。

周波数は、加速器の強度を低下させることによって、又はイオン化性の低いガスを用いることによって、又はイオン化チャンバー１０のガス圧又は容積を減少させることなどによって減少させることができる。しかしながら、その場合、放射線によって十分な始動電圧が得られない可能性があり、電子が相互に衝突する確率が過度に低くなり、イオン化チャンバー１０の動作に不可欠の電子なだれ現象が発生しない。

本発明による装置では、この問題は、光核反応を利用することによって解決される。この場合、患者治療デバイスから発射された放射線中に放出された高エネルギーの光子が重い核と相互作用して核反応を起こす。

本発明の方法によれば、光核反応を起こさせるために、例えば薄いウラン又はベリリウム層の形とした光反応変換器１６を図１及び２に示されるイオン化チャンバー１０の、放射線場２３の入射方向に直面する壁１０．１の内面に配置する。ウランは、１５〜２０ＭｅＶの放射線に対して用いることが好ましい。ウランを用いる場合、光反応変換器１６の厚さは、０．１〜１００μｍ、好ましくは３〜１５μｍとし、使用される表面材の種類に応じて決められる。ベリリウムを用いる場合は、光反応変換器の厚さは、ウランを用いる場合より厚くすることができる。光核反応の断面積は、代表的な加速器エネルギーの場合で数１０ミリバーン（１ｍｂ＝１０^−３ｂ＝１０^−２４ｃｍ^２）から３００ミリバーン（ｍｂ）までの範囲である。光核反応は、ウランの重い核やベリリウムからのアルファ粒子を反跳させ、チャンバー１０内のガスを非常に強力にイオン化する。ウラン反応は、重い核の他に、中性子のような１個又はそれ以上の光粒子を創出する（いわゆる光中性子反応）か、あるいは、２個の中程度の重さの核を創出する（光核分裂）。

光核反応の生成物の進行方向を制御するために光反応変換器１６に関連してコリメーター１９が設置される。このコリメーター１９の特性パラメータの設定基準に従って、光核反応生成物の経路は、陽極平面１１．１、１１．２に向かって真直ぐに下向きの一方向に向けられる。これによって、イオン化チャンバー１０内で側方に向けられた反応生成物によりイオン化位置データにひずみ作用が及ぼされるのを防止する。

かくして、この装置の算出周波数は、装置内のガス中の放射線によって惹起されるイオン化の度合から一時的に決定されるのではなく、光核反応生成物の数から二次的に検査（測定）される。即ち、周波数は、光反応変換器１６内の１ｃｍ^２当たりの目標原子の数、光核反応の断面積の光子エネルギーに対する依存度及び１秒当たりの光子束が分かれば、算定することができる。

光子束は、吸収法則を用いることによって算定することができるが、吸収法則を用いる場合、イオン化チャンバー内のガスと相互作用することなくガス中を通過した光子束と、元の光子束を算定しなければならない。更に、光子束を算定するのに必要とされるパラメータは、イオン化チャンバー１０内のガス（例えば、酸素）の総吸収係数（ｃｍ^２／ｇ）、ガスの表面密度（＝１，２９３・１０^−３ｇ／ｃｍ^２）及びガス層の厚さ（＝１ｃｍ）等である。

例えば、酸素ガスＯ_２の吸収係数が光子エネルギーの関数として算出される場合、（光子の）吸収は、通常、患者治療に用いられる加速器エネルギーで、ほぼ完全にコンプトン散乱（非干渉性散乱）を介して行われ、２０ＭｅＶに近いエネルギーになって初めて対形成が始まり、有意の相互作用発生メカニズムとなる。

上述した検査によれば、１ｃｍ^３（ＮＴＰ）中に毎秒６００，０００のコンプトン散乱が起こる。換言すれば、元の光子束とガス中をガスと干渉することなく真直ぐに通過した光子束との差は、６・１０^５である。この算定されたガスの総吸収係数（〜２・１０^２）と、ガスの上述の表面密度及び表面層の厚さを吸収法則に当てはめて、それを元の光子束に関して解くことによって得られる演算結果（数値）は、２．３・１０^１０ｓ^−１である。この演算結果は、１秒当たりの光子束の算定値とみなすことができ、その場合、発生する反応の数は、例えば１ｍｇ／ｃｍ^２（０．５μｍ）厚のウラン膜を使用し、放射線のエネルギーが１０ＭｅＶ（断面積〜２００ｍｂ）であるとすると、毎秒約１０，０００回の反応数として計算される。これは、本発明による装置の計算容量（１ＭＨｚ）の範囲内である。

上述した計算例では、その目的は、単に反応の数の程度をおおざっぱに算定することである。実際、リターデイション放射線スペクトルは、連続的なスペクトルであり、加速器の最大エネルギーまでのすべての光子エネルギーを含む。従って、この算定に用いられた１０ＭｅＶのエネルギー及びそれに対応する断面積は、「平均値」である。

蒸着によって非常に薄いウラン層を製造することができるので、反応の数は、必要に応じてほとんど任意に減少させることができるが、光反応変換器１６は発生する重い反応生成物を散乱させ強力に吸収するので、光反応変換器１６の厚さは、任意に増大させることはできない。しかしながら、反応生成物は、コリメーター板の穴の数を増大させることによって、及び、又は、コリメーターの厚さを薄くすることによって、増大させることができる。（コリメーターの穴の数を増大させたり、コリメーターを薄くすると、位置分解能が悪くなる。）反応生成物の総数は、加速器の強度（６０−>６００Ｒ／分、R＝Roentogen＝２５８μＣ／Ｋｇ）、放射時間及びエネルギー（＝断面積）によっても影響される。

光反応変換器１６を用いた場合、相互作用、即ちイオン化反跳粒子の発生数は、ケース１０内のガスの量（圧力）とは無関係である。荷電インパルスを起こす大きい電子なだれは、ガス中の相互作用によって散乱された電子よりも、重い粒子によってはるかに容易に惹起される。この重い粒子を利用することにより、圧力及び起動電圧を最適化することができ、それにより、ガス中に発生するコンプトン電子（反跳電子）によって惹起される干渉バックグラウンドを最小限にするとともに、反跳粒子によって創出されるパルスを強化させる。

図３に示され、本発明のより好ましい実施形態では、イオン化チャンバー１０内に、図１及び２に示された実施形態の場合と同様に陽極として機能する２つのイオン化検出器平面１１．１、１１．２が配置され、それらの間に陰極として機能する第３の検出器平面１２が配置される。更に、光反応変換器１６とコリメーター１９が、イオン化チャンバーの壁１０．１とは別体として放射線の進入方向に直角に配置される。

壁１０．１と光反応変換器１６との間に、上記第３の検出器平面１２と機能的に同様の追加の陰極平面２２が配置され、陰極平面２２に電流パルスｔ’を測定電子装置１８（図４参照）に伝導するための手段１３．４が接続されている。この追加の陰極平面２２の使用は、なかんずく、患者治療デバイスから直接進入し、周囲環境によって散乱せしめられ、壁１０．１内に発生するコンプトン電子によって惹起される干渉バックグラウンドを最小限にする働きをする。これは、測定電子装置１８と協同して信号ｔ、ｔ’を補償することによって達成される。

更に、陽極平面１１．１、１１．２の遅延線１７．１、１７．２は、光核反応から生じる電流パルスＸ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２を測定電子装置１８に伝導するために該平面の両端に接続されている。これによって、イオン化事象現象のＸＹ位置データの信号の形状及び分解能を改善する。図３には、又、イオン化チャンバー１０にガス供給接続管２０が示されている。

図４は、図３に示された実施形態に適応する測定電子装置１８の構成の好ましい一例を示す。この測定電子装置１８は、エレクトロニクスの部品として周知の機能回路部品から成る。

陰極平面１２、２２の信号線１３．３、１３．４には、陰極１２、２２から順に前置増幅器（プリアンプ）ＰＡ_Ｋ１、ＰＡ_Ｋ２（例えば、ＫＥＲＴ ＡＴ５３Ｓ）、次いでタイミングフィルター増幅器ＴＦＡ_Ｋ１、ＴＦＡ_Ｋ２（例えば、ＧＳＴ ＤＴＦＡ ８３）が設けられている。第２全治増幅器において、信号の極性は反対の符号に変換される。これらの部品は、陰極１２、２２の信号線１３．３、１３．４にそれぞれ設けられ、それらの後に、線１３．３と１３．４のための共通の加算回路ＳＵＭが配設されている。加算回路ＳＵＭによって両陰極１２、２２から送られてきた電流インパルスｔ、ｔ’が合算される。これらのインパルスは、互いに反対符号であるから、互いに補償（相殺）し合う。

高エネルギーコンプトン電子だけが光電子変換器内で僅かに相互作用するので、それらが起こす信号ｔ、ｔ’は、互いに補償し合い、反応生成物によって惹起される信号ｔだけが、加算回路ＳＵＭを通る。それらの信号は、一定分数機能弁別器ＣＦＤ_Ｋ（例えばＯＲＴＥＣＣＦ ８０００）へ導かれ、そこから遅延ゲート発生器ＧＧ_Ｋへ送られる。そこから、この陰極信号は、アナログ-デジタル変換器ＡＤＣ（例えばＯＲＴＥＣ ４１３Ａ）へ導かれる。

陽極平面１１．１、１１．２の電流パルスＸ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２を測定電子装置１８へ導くために、遅延線１７．１、１７．２の両端の出力端に遅延線として別個の専用線１３．１’、１３．１^*、１３．２’、１３．２^*が接続されている。線１３．１’、１３．１^*には、陽極１１．１の後に続く部品として、前置増幅器ＰＡ_Ｘ１、ＰＡ_Ｘ２が設けられており、それらの増幅器からパルスＸ_１、Ｘ_２が、第２の線、例えば線１３．１’に設けられた一定分数機能弁別器ＣＦＤ_Ｘ１、ＣＦＤ_Ｘ２を介して時間−振幅変換器ＴＡＣ_Ｘ（例えばＯＲＴＥＣ ４６７）へ導かれる。

第２の線１３．１^*には、ＴＡＣ_Ｘの前に、遅延ゲート発生器ＧＧ_Ｘ２と遅延素子ＤＬ_Ｘ２（例えば、ＧＡＥＮ１０７、ＧＡＥＮ１０８）が設けられており、それによって、信号Ｘ_２が信号Ｚ_１に対して常に遅延され、それらの時間差に比例してＴＡＣ_Ｘで形成されるパルスが正になるように構成されている。ＴＡＣ_Ｘから、信号は、上述した陰極線１３．３、１３．４の場合と同様に、アナログ−デジタル変換器ＡＤＣへ導かれる。

Ｙ方向のイオン化事象を規定する陽極１１．２も、電流パルスＹ_１、Ｙ_２を測定電子装置１８へ導くために、陽極１１．１のための上述した信号線構成と機能的に同様の信号線構成を有しており、陽極１１．２の遅延線１７．２の両端から導出された信号線１３．２’、１３．２^＊を有する。

ＴＡＣ_ＸとＴＡＣ_Ｙによって、電流インパルスＸ_１、Ｘ_２とＹ_１、Ｙ_２の時間差が振幅に変換され、そのアナログ−デジタル変換が対応するＸ、Ｙ位置データとして解釈される。遅延線１７．１、１７．２の両端から電流パルスを取り出し、それらの値を相互に差し引きすることによって、図１に示された実施形態の場合より相当に正確なＸＹ位置データが得られる。図１の実施形態の測定電子装置１８’は、追加の陰極２２に対応する信号線１３．４及び加算回路ＳＵＭ、並びに、Ｘ陽極平面１１．１、Ｙ陽極平面１１．２の遅延素子ＤＬ_Ｘ２、ＤＬ_Ｙ２を備えた信号線１３．１^＊、１３．２^＊を有していない点を除いては、図４に示された測定電子装置１８と同様の構成である。操作性という点では、測定電子装置１８’は、実用的であるが、図４に示された構成の測定電子装置１８を用いることによって、放射線場２３によって惹起される光核反応のイオン化事象のＸＹ位置データを算定する上でより正確な結果を得ることができる。加算回路技法を陽極信号にも適用すれば、更に正確な結果を得ることができる。

測定電子装置１８によって変換された陰極１２、２２からの電流パルスｔ、ｔ’、及び、陽極１１．１、１１．２の電流パルスは、例えば、パソコン２４へ取り込まれる。パソコン２４には、上述した信号から入力される放射線場２３のＸＹ位置データを計算し、放射線場２３の形状を表示するためのソフトウエアが組み込まれている。

測定電子装置１８の陰極線１３．３、１３．４のためのそれぞれ別個の電源２６、２７（通常、４０〜６００Ｖ）が設けられ、陽極線１３．１’、１３．１^*、１３．２’、１３．２^*のための共通のバイアス電源２５が設けられている。図４に示されるは、陽極１１．１、１１．２及び陰極１２、２２の電源は示されていない。

図５は、光反応変換器１６の構成の別の実施形態を示す。純粋にウランＵ−２３８からだけで形成された変換器では、低いガンマエネルギー（９ＭｅＶ未満）では本発明の要件として必須の光核反応をほとんど起こさないので、光反応変換器１６は、上下に積層した数枚の層からなるように構成することができる。図５の実施形態では、放射線場の入来方向に直面するイオン化チャンバー１０の壁１０．１は、上層のベリリウム層Ｂｅ−９と下層のウラン層Ｕ−２３８から成っている。ベリリウム層Ｂｅ−９では、２ＭｅＶ未満のエネルギーで（閾値エネルギーは１．６７ＭｅＶ）反応が生じる。図５では、ベリリウム層とウラン層とは、発生する反応生成物を図示するために離れたものとして示されているが、実際は、互いに接触した積層体である。

放射線２３は、ベリリウム層内でＢｅ−９ガンマ->中性子Ｂｅ（γ,ｎ）反応を起こし、それによって中性子の他に２個のアルファ粒子が放出される。この反応で放出された中性子は、次にウラン層Ｕ−２３８に衝突してウラン層内で中性子->核分裂Ｕ（ｎ，ｆ）反応を起こす。この場合、放出された重い核分裂生成物は、ガスを強力にイオン化する。そのイオン化度は、より高いエネルギーで起こるガンマ->核分裂Ｕ（γ，ｆ）反応に関連して上述したのと同じ態様で測定される。

図６は、ウランＵ−２３５、Ｕ−２３８及びプルトニウムＰｕ−２３９の中性子断面積を示す。この図から分かるように、２ＭｅＶ未満でもはや中性子はＵ−２３８層では反応を起こさなくなるので、光反応変換器の材料をＵ−２３５（Ｐｕ−２３９）に代えなければならない。ウラン及びプルトニウムのその他の同位元素の使用も、もちろん可能である。

次に、本発明の装置の動作を説明する。患者治療デバイス（図示せず）から放出された光子（ガンマビーム）は、イオン化チャンバー１０の光反応変換器１６のウラン層又はベリリウム層内で光核反応を起こし、それによって発生した重い核又はアルファ粒子がチャンバー１０内でガスを強力にイオン化する。この反応において、重い核又はアルファ粒子の他に、１個又はそれ以上の軽い粒子、通常は中性子が発生するので、いわゆる光中性子、あるいは、２個の中程度の重さの核の問題があり、その場合、光核分裂が問題となる。ガスがイオン化されると、ガスから電子が分離され、その電子が、イオン化チャンバー１０を通過する際に他のガス電子の電子と衝突して電子なだれを起こす。この電子なだれは、検出デバイス１２、２２、１１．１、１１．２を用いて測定することができる電流パルスを創出するのに十分な大きさである。

イオン化チャンバー１０の陰極１２、２２と陽極１１．１、１１．２の間に電位差があるので、発生した電子なだれは、正電位の陽極１１．１、１１．２へ移行する。この電子なだれは、変換器１６内でガンマビームによってヒットされた点の近傍に位置するワイヤ１４．１、１４．２内に測定電子装置１８で測定可能な電流パルスを惹起する。イオン化の結果として、ガス分子及びイオンが陰極１２内に電流パルスｔを創生し、この電流パルスを用いて測定電子装置１８のための時間窓の始動を設定する。電流パルスｔは、追加の陰極２２によって記録されるパルスと同時に発生するパルスが考慮外とされるので、弁別することができる。最初の時点ｔが過ぎた後、陽極平面１１．１、１１．２から測定電子装置１８に送られてくる、イオン化のＸＹ位置に対応する電流パルスＸ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２の対応時点を、測定電子装置１８を用いて算定することができる。これらの対応時点によってイオン化事象のＸＹ位置データを算定することができる。

実際には、陽極１１．１、１１．２へ移行する電子なだれは、近接する数本の陽極ワイヤ１４．１、１４．２内にも電流パルスを起こすことがあるが、それは、装置の測定精度に有意の影響を及ぼさない。なぜなら、実際にヒットされた点に対応するワイヤに近接するワイヤの信号は、十分に弱いので位置データを１本のワイヤの精度にまで算定するのを妨げることはないからである。

電流パルスは、陽極１１．１、１１．２によって遅延線１７．１、１７．２へ集められる。遅延線１７．１、１７．２内の電荷の移動速度、即ち、遅延線１７．１、１７．２を構成する遅延素子１５の遅延時間は、既知である。これに比して、個々の陽極ワイヤ１４．１、１４．２の遅延時間は、意味をなさないほど僅かである。例えば図１、２に示された装置の場合、電荷が遅延線１７．１、１７．２の一端から他端まで移動するのに１００ｎｓ（ナノ秒）を要し、電荷がＸ方向を画定する遅延線１７．１上のヒット点から移動するのに７０ｎｓを要し、電荷がＹ方向を画定する遅延線１７．２上のヒット点から移動するのに３０ｎｓを要したとすると、測定電子装置１８を用いて、画定されたＸＹ座標中のヒット位置を特定することができる。この例の場合、ヒット位置は、点（Ｔ_Ｘ＝７０、Ｔ_Ｙ＝３０）である。点の群（Ｔ_Ｘ、Ｔ_Ｙ）を集めることによって、イオン化チャンバー１０の表面における放射線強度分布を算定することができる。

図３に示される示された実施形態では、遅延線１７．１、１７．２の両端から得られた電流パルスＸ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２に対応する時間は、相互に差し引きして（Ｘ_２−Ｘ_１、Ｙ_２−Ｙ_１）より鮮鋭な信号を創出し、それに基づいて、より正確なＸＹ位置が得られる。これらの電流パルスの時間差は、イオン化事象の位置データに比例する。

本発明の装置を用いた場合、測定時間が短いので、測定中に生じる周囲温度の変化、及び、温度変化の結果として生じるイオン化チャンバー１０内のガスの圧力変化を考慮に入れる必要はない。更に、測定点の位置は、陽極平面１１．１、１１．２を構成するワイヤ１４．１、１４．２間の相互の距離によってのみ算定されるので、測定点の位置測定精度は、優秀である。

本発明による装置には、正確なガス供給、圧力調整及びモニターシステム（図示せず）を装備することもできる。それによって圧力テストをすることをも可能にする。装置内のガス圧は、励起の発生数が多すぎることも、少なすぎることもないように重いイオンに従って最適化される。測定電子装置１８は、パルスの高さ及び閾電圧を利用すること可能にするように構成することができる。

本発明の装置は、測定電子装置１８の他に、制御操作システム並びにガス供給及びデータ処理システムのための必要な接続部を備えている。これらのシステムは、起動電圧及びガス圧をモニターするための正確なソフトウエアに基づく自動制御性能を備えている。本発明の装置は、測定電子装置１８だけでなく、それを制御するための、又、測定データを処理するためのユーザーインタフェース３０をも備えている。ユーザーインタフェース３０は、高品質の制御をする自動データシステム及び加速器（図示せず）に容易に接続することができる。

中性子は、光核反応でも創出されるが、実際には、その数は極めて少ない。イオン化チャンバー１０の壁は、例えばそれにパラフィンワックス又はホウ素で内張りすることによって中性子を減速させる材料で形成することができる。更に、加速器が作動しているときは、誰も測定室に入ることは許されないないので、光核反応を起こさせてそれを利用することは、この装置の操作者にとっても、周囲環境にとっても害はない。イオン化チャンバー１０の内部では、熱中性子が、肉薄の光反応変換器１６及び陽極ワイヤ１４．１、１４．２内で長期間活動をすることがあるが、重い物質の量が少ないので、その活動は無視しうる程度である。ただし、活動が累積する可能性があるので活動の累積をモニターする必要はある。

本発明によって得られる１つの重要な利点は、線量測定(イオン化した放射線量の測定）における人為ミスの可能性を排除することである。これは、ユーザーフレンドリーな、使いやすい操作システム３０によって、又、加速器をも測定に統合することによって達成される。更に、本発明による装置は不必要な手作業工程を排除するので、測定工程がより簡単になり、合理的になる。

以下に、本発明による装置を用いて有利に実施することができる放射線治療の品質管理に関する重要な測定の幾つかの例を列記する。

等線量の測定：この測定では、放射線場の標準深さの水中の線量分布を所定の放射線場サイズ値を用いて特定の測定プロトコルに従って測定する。この測定の結果は、線量計画プログラムを作成するために、又、品質管理のために用いることができる。

所定の三角形の放射線場のために行われる場サイズ係数及びくさび係数の定義（画定又は特定）：この場合、放射線の中心軸線上の最大線量を定義し、問題の部位における特定のモニターユニット量（ＭＵ）を測定する。その結果を標準場（１０ｃｍ×１０ｃｍ）の線量に対して標準化する。くさび係数は、開放場とそれに対応するくさび場の線量に関して定義する。

線量校正：線量校正では、治療デバイスによって創出される線量と治療デバイスのモニターユニットの設定との対応を測定する。線量は、１０ｃｍ×１０ｃｍのサイズの場の中心軸線における各タイプのエネルギー及び放射線の最大線量として定義する。線量校正の精度は、あらゆる治療線量の基準を校正するので、極めて重要である。

線量の直線性の測定：所定のモニターユニット量の放射線照射中における線量の直線性を測定する。

繰り返し精度：特定のモニターユニット量の放射線を数回反復して放射し、その線量の繰り返し精度を測定する。

傾斜角度に対する線量の依存性：放射線治療加速器によって創出される放射線は、加速器の傾斜角度にある程度依存する。線量の変化は、加速器のメカニズムによって惹起され、重力によってもある程度惹起される。

加速器の運動部品及びその他の機械的構造の製造誤差に因り、線量の変動がコリメーターの回転の関数としても表れる。線量の変化は、すべてのエネルギーレベルにおいて所定のコリメーター角度を用いて測定する。

本発明のいろいろな実施形態の上記の記載及び添付図は、例示及び説明の目的でなされたものであることを理解されたい。本発明の方法及び装置における必須の要素は、光核反応を用いることである。上記の教示に基づいて、測定電子装置に関しても、イオン化事象のＸＹ位置データを算定する態様についても幾つかの変型が可能である。従って、本発明は、ここに説明された実施形態に限定されるものではなく、本出願の請求項によって規定される本発明の範囲内で可能な多くの改変及び変型が当業者には明らかであろう。

参考文献：
［１］ＯＥＣＤ／ＮＥＡ １９８９、プルトニウム燃料−アセスメント（評価）。
Ｔａｕｂｅ １９７４、プルトニウム−概説

図１は、本発明の一実施形態による装置の概略図である。 図２は、図１の装置の一部破除された断面図である。 図３は、本発明の別の実施形態による装置の概略図である。 図４は、図３に示される示された装置のエレクトロニクスの概略図である。 図５は、光反応変換器の第２実施形態の概略図である。 図６は、幾つかの使用可能な光反応変換器の素材における中性子相互作用領域を示す。

符号の説明

１０ イオン化チャンバー、ケース
１０．１ 壁
１１．１、１１．２ イオン化検出器平面、陽極検出器平面、陽極平面、検出器平面、陽極
１２．１、１２．２ 陰極検出器平面、検出器平面、陰極平面、陰極
１３ 信号ワイヤ、信号線
１３．１’、１３．１^*、１３．２’、１３．２^*１３ 陽極線
１３．３、１３．４ 陰極線
１４．１、１４． ワイヤ配列、ワイヤ列、ワイヤ
１５ 遅延素子
１６ 光反応変換器
１７．１、１７．２ 遅延線
１８ 測定電子装置
１９ コリメーター
２０ ガス供給接続管
２１ 電源
２１．１ 負電位
２１．２ 正電位
２２ 陰極、陰極平面
２３ 放射線、放射線場
２４ パソコン
２５ バイアス電源
２６、２７ 電源
３０ ユーザーインタフェース、操作システム
ＡＤＣ アナログ-デジタル変換器
Ｂｅ ベリリウム層
ＣＦＤ_Ｋ、ＣＦＤ_Ｘ１、ＣＦＤ_Ｘ２ 一定分数機能弁別器
ＤＬ_Ｘ２、ＤＬ_Ｙ２ 遅延素子
ＧＧ_Ｋ、ＧＧ_Ｘ２ 遅延ゲート発生器
ＰＡ_Ｋ１、ＰＡ_Ｋ２、ＰＡ_Ｘ１、ＰＡ_Ｘ２ 前置増幅器
ＳＵＭ 加算回路
ＴＡＣ_Ｘ 振幅変換器
ＴＦＡ_Ｋ１、ＴＦＡ_Ｋ２ タイミングフィルター増幅器
Ｕ ウラン層

Claims (15)

1. イオン化チャンバー（１０）内に平行なイオン化検出器平面を配置し、該イオン化検出器平面のうちの２つ（１１．１、１１．２）は、イオン化事象のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）で形成して、該２つの検出器平面（１１．１、１１．２）がイオン化事象のＸ及びＹ座標Ｘ_１、Ｙ_１を示すようにし、放射線場（２３）によって惹起されたイオン化事象を前記イオン化チャンバー（１０）内に配置された前記平行なイオン化検出器平面によって検出することから成る放射線場（２３）の強度分布を測定するための方法であって、
   前記イオン化事象を、前記放射線（２３）から生じる光核反応生成物を介して惹起させることを特徴とする放射線場の強度分布測定方法。
2. 前記光核反応生成物をその進行方向が前記検出器平面（１１．１、１１．２）に対して実質的に直角となるようにコリメーとする請求項１に記載の放射線場の強度分布測定方法。
3. 前記光核反応生成物を１つ又は幾つかの中間生成物段階を経て創出させる請求項１又は２に記載の放射線場の強度分布測定方法。
4. イオン化チャンバー（１０）内に配置された少くとも２つの平行なイオン化検出器平面（１１．１、１１．２）を含み、該２つの平行なイオン化検出器平面（１１．１、１１．２）は、イオン化事象のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）で形成されており、該２つの検出器平面（１１．１、１１．２）がイオン化事象のＸ及びＹ座標を示すようになされた、放射線場（２３）の強度分布を測定するための装置であって、
   該装置内で間接的なイオン化検出を達成するために、前記イオン化チャンバー（１０）に光反応変換器（１６）が装備されていることを特徴とする放射線場の強度分布測定装置。
5. 前記光反応変換器（１６）は、例えばウラン及び、又はベリリウムの１つ又はそれ以上の層を含む請求項４に記載の放射線場の強度分布測定装置。
6. 前記光反応変換器（１６）の厚さは、０．１〜１００μｍ、好ましくは、３〜１５μｍである請求項４又は５に記載の放射線場の強度分布測定装置。
7. 前記光反応変換器（１６）は、前記イオン化チャンバー（１０）内に該チャンバーの、放射線場（２３）の方向に直面する壁（１０．１）に関連して設けられている請求項４〜６のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。
8. 光核反応生成物の進行方向を制御するためのコリメーター（１９）が該装置に関連して設けられている請求項４又は５に記載の放射線場の強度分布測定装置。
9. 該装置は、前記測定ごとの時間窓を測定するための第３の検出器平面（１２）を有しており、前記２つの検出器平面（１１．１、１１．２）は、陽極として機能するように構成され、該第３の検出器平面（１２）は、陰極として機能するように構成されている請求項４〜８のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。
10. 前記２つの検出器平面（１１．１、１１．２）の前記一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）は、少くとも一端において前記測定電子装置（１８）に接続されるように配置されている請求項５〜７のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。
11. 前記２つの検出器平面（１１．１、１１．２）の前記一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）は、少くとも一端において遅延素子（１５）によって接続されるように配置されており、それによって、該連続的に接続された遅延素子（１５）は、遅延線（１７．１、１７．２）を構成し、前記イオン化事象によって創出された電流パルスが該遅延線（１７．１、１７．２）の少くとも一端から該遅延線を通して前記測定電子装置（１８）へ導かれるように構成されている請求項１０に記載の放射線場の強度分布測定装置。
12. 該装置の位置分解能を改善するために、前記放射線場（２３）によって創出された電流パルスが該遅延線（１７．１、１７．２）の両端から前記測定電子装置（１８）へ導かれるように構成されており、前記遅延線（１７．１、１７．２）の一端から導かれた電流パルスのための遅延手段（ＤＬ_Ｘ２、ＤＬ_Ｙ２）が設けられている請求項１１に記載の放射線場の強度分布測定装置。
13. 前記２つの検出器平面（１１．１、１１．２）は、一連のワイヤ配列（１４．１、１４．２）で形成されており、隣接するワイヤ間の間隔は、１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜７ｍｍである請求項４〜１２のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。
14. 前記該装置の位置分解能を改善するために、前記イオン化チャンバー（１０）内に前記検出器平面（１１．１、１１．２）に加えて前記第３の検出器平面（１２）に機能的に対応する平面（２２）が設けられている請求項９〜１３のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。
15. 前記イオン化チャンバー（１０）内に充填されるイオン化用ガスは、不活性ガス、又は炭化水素、又はそれらを主体とした混合物又は化合物である請求項４〜１４のいずれか１項に記載の放射線場の強度分布測定装置。

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