JP2010057656A - 重粒子線ビームの生物効果の線質及び計算方法と計算プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】重粒子線ビーム照射の際、粒子線による生物効果を、粒子の種類やエネルギーに依存せず、短時間でできる計算方法を提供する。
【解決手段】コンピュータに、２次電子を考慮せず進路に沿ったエネルギー付与のみを考慮する第１モンテカルロコードと、進路に沿って発生した２次電子７が媒質に与えるエネルギーも考慮する第２モンテカルロコードと、第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の物性データを入力し、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を第１モンテカルロコードで行い、コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換し、コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで行う。
【選択図】図６
【解決手段】コンピュータに、２次電子を考慮せず進路に沿ったエネルギー付与のみを考慮する第１モンテカルロコードと、進路に沿って発生した２次電子７が媒質に与えるエネルギーも考慮する第２モンテカルロコードと、第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の物性データを入力し、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を第１モンテカルロコードで行い、コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換し、コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで行う。
【選択図】図６
Description
本発明は、重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法と計算プログラムに関する。
放射線照射装置により放射線が照射される物体内における線量分布を、コンピュータによりシミュレーションにより計算するための線量計算方法は、例えば特許文献１〜３に開示されている。また、本発明に関連する技術は、非特許文献１に開示されている。
Ｙ．Ｋａｓｅ， ｅｔ．ａｌ，"Ｍｉｃｒｏｄｏｓｉｍｅｔｒｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｃｅｌｌ Ｓｕｒｖｉｖａｌ ｆｏｒ Ｈｅａｖｙ−Ｉｏｎ Ｂｅａｍｓ"， ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ １６６， ６２９−６３８ （２００６）
重粒子線ビーム（例えば、Ｃ，Ｎｅ，Ｓｉ，Ａｒイオン）と人体との相互作用を評価する場合、粒子線の持つ線質（線エネルギーや線エネルギー付与など）と粒子線が人体に与える影響（生物効果）を詳細に評価する必要がある。
すなわち重粒子線治療においては、物理線量に加えて、線質を考慮した生物線量が投与線量の評価基準となる。重粒子線は物質中で核破砕を起こしより小さな粒子に分裂し、ビームはエネルギー付与や散乱特性の異なる様々な粒子の混合となる。従って、線質評価方法としては、粒子の種類やエネルギーに依存しない方法が望ましい。
しかし特許文献１〜３では、例えば腫瘍等の標的に対する電磁放射線や微粒子放射線の線量分布を計算しているが、線質および生物効果の評価はなされていなかった。
すなわち重粒子線治療においては、物理線量に加えて、線質を考慮した生物線量が投与線量の評価基準となる。重粒子線は物質中で核破砕を起こしより小さな粒子に分裂し、ビームはエネルギー付与や散乱特性の異なる様々な粒子の混合となる。従って、線質評価方法としては、粒子の種類やエネルギーに依存しない方法が望ましい。
しかし特許文献１〜３では、例えば腫瘍等の標的に対する電磁放射線や微粒子放射線の線量分布を計算しているが、線質および生物効果の評価はなされていなかった。
本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、重粒子線ビーム（例えば、Ｃ，Ｎｅ，Ｓｉ，Ａｒイオン）を対象物に照射する際の、粒子線の持つ線質（放射線の強さ）と粒子線が人体に与える影響（生物効果）を詳細に評価することができ、かつ粒子の種類やエネルギーに依存せず、計算時間を短縮できる重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法と計算プログラムを提供することにある。
本発明によれば、コンピュータに、粒子線が媒質を通過するとき、２次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第１モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、
重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力し、
コンピュータにより、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで行い、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換し、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで行い、
前記対象物が受ける重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力する、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法が提供される。
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、
重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力し、
コンピュータにより、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで行い、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換し、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで行い、
前記対象物が受ける重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力する、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法が提供される。
また本発明によれば、粒子線が媒質を通過するとき、２次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第１モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとを有し、
コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させる、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算プログラムが提供される。
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとを有し、
コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させる、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算プログラムが提供される。
従来、線量および線質の計算においては，解析式を用いた簡易的計算方法、または汎用のモンテカルロコードを使用している。
しかし、粒子線と人体との相互作用を評価する場合、物理線量のほか線質に起因する生物効果を評価する必要がある。簡易的計算方法には、線質の効果を十分に考慮した方法は提供されていない。
一方、モンテカルロ法により輸送計算を行うコンピュータプログラム（モンテカルロコード）は複数公開されているが、各々のモンテカルロコードに一長一短があり、特定の条件では計算精度が低下する、または計算時間がかかるという問題があった。
一方、モンテカルロ法により輸送計算を行うコンピュータプログラム（モンテカルロコード）は複数公開されているが、各々のモンテカルロコードに一長一短があり、特定の条件では計算精度が低下する、または計算時間がかかるという問題があった。
本発明の計算方法と計算プログラムでは、２次電子を考慮しない第１モンテカルロコードと、２次電子を考慮する第２モンテカルロコードを用い、この２つのモンテカルロコード間で粒子線のデータの受け渡しを行うインターフェイス（データ変換コード）を用いて、一つの計算対象系に対し、２つのモンテカルロコードを使用する。
すなわち各々のモンテカルロコードが計算精度または計算速度に優れた領域で計算を行うことにより、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。これにより、粒子線が人体に与える影響（生物線量）の詳細評価が可能となった。
すなわち各々のモンテカルロコードが計算精度または計算速度に優れた領域で計算を行うことにより、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。これにより、粒子線が人体に与える影響（生物線量）の詳細評価が可能となった。
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、各種放射線の生体内における線量分布を示す図である。この図において、横軸は体の表面からの深さ（ｃｍ）、縦軸は相対線量である。
この図に示すように、光子線や中性子線のように電荷を持たない非荷電粒子では、粒子数が体内で深さと共に指数関数的に減衰する。これに対して高エネルギーの荷電粒子は体内に照射されるとクーロン散乱によって徐々にエネルギーを失いながら進んでいき、飛程付近で急激にエネルギーを失う。このため深部線量分布において飛程付近にブラッグピークと呼ばれる高い線量を与える部分を持つ。この部分を腫瘍の位置に合わせることで、腫瘍に線量を集中させることができる。
高エネルギーの荷電粒子としては、炭素、ネオン、シリコン、アルゴン等が知られている。
この図に示すように、光子線や中性子線のように電荷を持たない非荷電粒子では、粒子数が体内で深さと共に指数関数的に減衰する。これに対して高エネルギーの荷電粒子は体内に照射されるとクーロン散乱によって徐々にエネルギーを失いながら進んでいき、飛程付近で急激にエネルギーを失う。このため深部線量分布において飛程付近にブラッグピークと呼ばれる高い線量を与える部分を持つ。この部分を腫瘍の位置に合わせることで、腫瘍に線量を集中させることができる。
高エネルギーの荷電粒子としては、炭素、ネオン、シリコン、アルゴン等が知られている。
図２は、Ｘ線と重粒子線で照射した細胞の生存率曲線である。この図において、横軸は吸収線量（Ｇｙ）、縦軸は細胞生存率Ｓである。
この図に示すように、細胞生存率Ｓが同一（例えば０．１）の場合、Ｘ線の吸収線量Ｄ０よりも重粒子線の吸収線量Ｄは小さい値となる。言い換えれば、腫瘍にＸ線と重粒子線を照射して細胞を死滅させる場合、重粒子線の方がＸ線よりも低い線量で同一の細胞生存率Ｓを達成することができる。
この図に示すように、細胞生存率Ｓが同一（例えば０．１）の場合、Ｘ線の吸収線量Ｄ０よりも重粒子線の吸収線量Ｄは小さい値となる。言い換えれば、腫瘍にＸ線と重粒子線を照射して細胞を死滅させる場合、重粒子線の方がＸ線よりも低い線量で同一の細胞生存率Ｓを達成することができる。
この図において、重粒子線の吸収線量Ｄ（Ｇｙ）と細胞生存率Ｓ（−）の関係は、式（１）で表すことができる。ここで、α、βは細胞、線質ごとのパラメータである。
Ｓ＝ｅｘｐ（−α・Ｄ−β・Ｄ２）・・・（１）
Ｓ＝ｅｘｐ（−α・Ｄ−β・Ｄ２）・・・（１）
また、同一の細胞生存率Ｓ（例えば０．１）を達成するＸ線の吸収線量Ｄ０と重粒子線の吸収線量Ｄの比Ｄ０／Ｄを生物効果（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｆｆｅｃｔ：ＲＢＥ）と定義する。従って、生物効果（ＲＢＥ）は、一般的には１より大きい正数である。
図３は、重粒子線の生体内における物理線量と生物線量を示す図である。この図において、横軸は体の表面からの深さ（ｃｍ）、縦軸は相対線量（％）である。
この図において、物理線量は、図１の重粒子線の吸収線量に相当するが、放射線治療においては、上述した生物効果（ＲＢＥ）を加味した生物線量で、治療用の投与線量を評価する必要がある。
この図において、物理線量は、図１の重粒子線の吸収線量に相当するが、放射線治療においては、上述した生物効果（ＲＢＥ）を加味した生物線量で、治療用の投与線量を評価する必要がある。
本発明において、粒子線の線質とは、放射線の強さを意味し、線エネルギーｙ（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：ＬＥＴ）で表す。線エネルギーｙ（ＬＥＴ）とは、単位長さ当たりに荷電粒子によって局限的に吸収されるエネルギー量を表す。
これに対して、荷電粒子が単位長さを通るときに失う平均エネルギーを「阻止能」と呼ぶ。生体組織やガス中を荷電粒子が通過する際の線エネルギー（ＬＥＴ）は阻止能にほぼ等しい。
また、式（１）におけるパラメータαは、線エネルギーｙの関数として与えることができることが知られている。
この関係式をα＝ｆ（ｙ）・・・（２）とする。
これに対して、荷電粒子が単位長さを通るときに失う平均エネルギーを「阻止能」と呼ぶ。生体組織やガス中を荷電粒子が通過する際の線エネルギー（ＬＥＴ）は阻止能にほぼ等しい。
また、式（１）におけるパラメータαは、線エネルギーｙの関数として与えることができることが知られている。
この関係式をα＝ｆ（ｙ）・・・（２）とする。
高エネルギーの荷電粒子が異なる場合、例えば、炭素、ネオン、シリコン、アルゴン等が混合する場合でも、上述した線エネルギーｙ（ＬＥＴ）が同一であれば、同一の生物効果（ＲＢＥ）を得ることができる。
すなわち、式（１）のパラメータβは、細胞、線質が同一であれば一定値である。従って、ある線エネルギーｙ（ＬＥＴ）が解析又は実験で得られた場合、式（２）からαが求まり、式（１）から同一の細胞生存率Ｓ（例えば０．１）に対する重粒子線の吸収線量Ｄが定まる。
さらに、Ｘ線の吸収線量Ｄ０は既知であるから、Ｄ０／Ｄとして生物効果（ＲＢＥ）を得ることができる。
すなわち、式（１）のパラメータβは、細胞、線質が同一であれば一定値である。従って、ある線エネルギーｙ（ＬＥＴ）が解析又は実験で得られた場合、式（２）からαが求まり、式（１）から同一の細胞生存率Ｓ（例えば０．１）に対する重粒子線の吸収線量Ｄが定まる。
さらに、Ｘ線の吸収線量Ｄ０は既知であるから、Ｄ０／Ｄとして生物効果（ＲＢＥ）を得ることができる。
図４は、本発明が解析対象とする系の模式図である。この解析対象は、粒子線がん治療装置を想定しており、図で左側から高エネルギーの荷電粒子１（例えば１２Ｃ）が入射し、ターゲット２に衝突して分散され、分散粒子３が右端に位置する対象物（図示せず）に線エネルギーｙを与えるようになっている。
この例では、荷電粒子１の入射方向をｚ軸とし、ｚ軸に垂直な一方向（例えば水平方向）をｘ軸とする。ｘ軸とｚ軸の原点をターゲット２の入射面上にとり、荷電粒子１はｚ＝−１２５ｃｍから入射し、対象物（例えば生体）はｚ＝２００ｃｍの位置にあるものとする。
なおターゲット２は、例えば、アルミニウムの平板や水である。
この例では、荷電粒子１の入射方向をｚ軸とし、ｚ軸に垂直な一方向（例えば水平方向）をｘ軸とする。ｘ軸とｚ軸の原点をターゲット２の入射面上にとり、荷電粒子１はｚ＝−１２５ｃｍから入射し、対象物（例えば生体）はｚ＝２００ｃｍの位置にあるものとする。
なおターゲット２は、例えば、アルミニウムの平板や水である。
実際の粒子線がん治療装置では、荷電粒子１の入射方向を制御する２極磁石、平坦化フィルタ、コリメータ、ボーラス等が設けられるが、この例ではこれらを省略している。なお、これらがある場合でも、同様に適用することができる。
また、本発明は上述した系に限定されず、その他の任意の系にも同様に適用することができる。
また、本発明は上述した系に限定されず、その他の任意の系にも同様に適用することができる。
図４の解析対象において、ｚ＝２００ｃｍの位置の線エネルギーｙを求めるために、本発明ではモンテカルロ法による輸送計算を行う。モンテカルロ法による輸送計算は、ターゲット２に衝突した荷電粒子１がどのような物理現象を起こしながら進んでゆくかを逐一計算しつつ、２次的に発生する２次電子の挙動を統計的に処理し、対象物に与える線エネルギーｙを直接計算するものである。
以下、荷電粒子１と分散粒子３を合わせて粒子線４と呼ぶ。
以下、荷電粒子１と分散粒子３を合わせて粒子線４と呼ぶ。
図５はモンテカルロ法を適用する計算モデルの例を示す模式図である。
図５（Ａ）に示すように、粒子線４が媒質５を通過するとき、その進路に沿って媒質５にエネルギー付与６を与える（黒丸）。また図５（Ｂ）は、２次電子７（δ線）が進路に沿って多数発生し、同様に媒質５にエネルギー８を与える（白丸）。２次電子線７の影響のおよぶ範囲は、例えばエネルギーが２９０ＭｅＶ／ｎの炭素線の場合、粒子線４の軌道から１ｍｍ以下である。
図５（Ａ）に示すように、粒子線４が媒質５を通過するとき、その進路に沿って媒質５にエネルギー付与６を与える（黒丸）。また図５（Ｂ）は、２次電子７（δ線）が進路に沿って多数発生し、同様に媒質５にエネルギー８を与える（白丸）。２次電子線７の影響のおよぶ範囲は、例えばエネルギーが２９０ＭｅＶ／ｎの炭素線の場合、粒子線４の軌道から１ｍｍ以下である。
モンテカルロ法により輸送計算を行うコンピュータプログラム（モンテカルロコードと呼ぶ）は、多数知られており、そのうち、ＰＨＩＴＳの名称で知られるモンテカルロコード（以下単に「ＰＨＩＴＳコード」または「コード１」と呼ぶ）は、図５（Ａ）に示すように、粒子線４が媒質５を通過するとき、２次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与６のみを考慮するものである。また、ＧＥＡＮＴ４の名称で知られるモンテカルロコード（以下単に「ＧＥＡＮＴ４コード」または「コード２」と呼ぶ）は、図５（Ｂ）に示すように、２次電子線７（δ線）が媒質５に与えるエネルギー８も考慮するものである。
各計算コードの特徴は、以下の通りである。
ＰＨＩＴＳコード
（１）計算速度はδ線の輸送計算を行わないので、計算速度が速い。
（２）微小領域での計算精度は、δ線の影響の及ぶ領域よりも小さい領域では、エネルギー付与の計算精度は落ちる。δ線の輸送計算を行わないので、領域外でエネルギー付与するδ線の影響も領域内のエネルギー付与として計算してしまうためである。
（３）計算精度は、エネルギー付与を考慮しない輸送計算または比較的大きい領域でのエネルギー付与の計算では、計算プロセスがシンプルなため計算精度は高い。
ＰＨＩＴＳコード
（１）計算速度はδ線の輸送計算を行わないので、計算速度が速い。
（２）微小領域での計算精度は、δ線の影響の及ぶ領域よりも小さい領域では、エネルギー付与の計算精度は落ちる。δ線の輸送計算を行わないので、領域外でエネルギー付与するδ線の影響も領域内のエネルギー付与として計算してしまうためである。
（３）計算精度は、エネルギー付与を考慮しない輸送計算または比較的大きい領域でのエネルギー付与の計算では、計算プロセスがシンプルなため計算精度は高い。
ＧＥＡＮＴ４コード
（１）計算速度が遅い。
（２）小領域でも計算精度は落ちない。
（３）多くの計算プロセス、モデルを含むため、やや計算精度は劣る。単に粒子の失ったエネルギーの評価は比較的容易で実験的検証も可能であるが、発生するδ線のエネルギーなどは検証が難しく、計算モデルの誤差が蓄積するおそれがあるからである。
（１）計算速度が遅い。
（２）小領域でも計算精度は落ちない。
（３）多くの計算プロセス、モデルを含むため、やや計算精度は劣る。単に粒子の失ったエネルギーの評価は比較的容易で実験的検証も可能であるが、発生するδ線のエネルギーなどは検証が難しく、計算モデルの誤差が蓄積するおそれがあるからである。
図６は、本発明による重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法を示すフロー図である。この図に示すように、本発明の方法はＳ１〜Ｓ９の各ステップからなる。
ステップＳ１では、重粒子線ビーム（重粒子線４）、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力する。重粒子線ビームのデータは、第１モンテカルロコード（この例ではＰＨＩＴＳコード）で使用するデータに合わせて、座標、エネルギー［Ｍｅｖ／ｎ］、速度ベクトル、粒子種である。
次いで、重粒子線４の進路に沿って、座標ｚを一定の変位Δｚで変化させ（ステップＳ２）、第１モンテカルロコード（この例ではＰＨＩＴＳコード）で輸送計算を行う（ステップＳ３）。ステップＳ２，Ｓ３は、座標ｚがコード切替位置ｚ１に達するまで繰り返して行う（ステップＳ４）。
ここで、「コード切替位置ｚ１」は、重粒子線ビーム４がターゲットに衝突し分散されて対象物に入射する位置（例えば、体の表面）、あるいはこれより上流側の近傍に設定するのがよい。
ここで、「コード切替位置ｚ１」は、重粒子線ビーム４がターゲットに衝突し分散されて対象物に入射する位置（例えば、体の表面）、あるいはこれより上流側の近傍に設定するのがよい。
座標ｚがコード切替位置ｚ１に達したら、その時点での重粒子線のデータを第２モンテカルロコード（この例ではＧＥＡＮＴ４コード）の粒子データに変換する（ステップＳ５）。第２モンテカルロコードの粒子データは、座標、運動量［ＭｅＶ／ｃ］、粒子種、質量［Ｍｅｖ］である。
粒子のエネルギーは、ＰＨＩＴＳコードでは、運動エネルギー（Ｅｋ）と速度ベクトル（ｕ，ｖ，ｗ）で与えられるのに対し、ＧＥＡＮＴ４コードでは、運動量ベクトル（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）で入力する。このため、数１の式（３）で変換する。ここでＭｃ２は質量エネルギーである。
また、粒子種は、ＰＨＩＴＳコード、ＧＥＡＮＴ４コードともに、特定の規則に従った整数で識別される。
例えば原子核の場合、ＰＨＩＴＳコードではＺ×１０６＋Ａ、ＧＥＡＮＴ４コードでは１０９＋Ｚ×１０４＋Ａ×１０と表記される。ここでＡは質量数、Ｚは原子番号である。
例えば１２Ｃであれば、ＰＨＩＴＳコードでは６００００１２、ＧＥＡＮＴ４コードでは１０００００６０１２０となる。
また、ＰＨＩＴＳコードでは、この表記法から原子番号Ｚと質量数Ａを読み取っているが、ＧＥＡＮＴ４コードでは、さらに質量Ｍを［ＭｅＶ］の単位で入力する必要がある。このため、下記の式（４）により変換する。
Ｍ＝９３１．４９４・Ａ ［ＭｅＶ］・・・（４）
例えば原子核の場合、ＰＨＩＴＳコードではＺ×１０６＋Ａ、ＧＥＡＮＴ４コードでは１０９＋Ｚ×１０４＋Ａ×１０と表記される。ここでＡは質量数、Ｚは原子番号である。
例えば１２Ｃであれば、ＰＨＩＴＳコードでは６００００１２、ＧＥＡＮＴ４コードでは１０００００６０１２０となる。
また、ＰＨＩＴＳコードでは、この表記法から原子番号Ｚと質量数Ａを読み取っているが、ＧＥＡＮＴ４コードでは、さらに質量Ｍを［ＭｅＶ］の単位で入力する必要がある。このため、下記の式（４）により変換する。
Ｍ＝９３１．４９４・Ａ ［ＭｅＶ］・・・（４）
次いで、重粒子線の進路に沿って、座標ｚを一定の変位Δｚで変化させ（ステップＳ６）、第２モンテカルロコード（この例ではＧＥＡＮＴ４コード）で輸送計算を行う（ステップＳ７）。ステップＳ６，Ｓ７は、座標ｚが解析対象位置ｚ２に達するまで繰り返して行う（ステップＳ８）。
次いで、ステップＳ９において、解析対象位置ｚ２において対象物が受ける線エネルギーｙを計算し、これから所定の細胞生存率Ｓに対する重粒子線の吸収線量Ｄを算出し、さらに、Ｘ線の所定の吸収線量Ｄ０からＤ０／Ｄとして生物効果（ＲＢＥ）を得る。
図７は、本発明の第１実施例を示す図である。この図において（Ａ）は解析対象位置における線エネルギーｙ、（Ｂ）は解析対象位置における生物効果ＲＢＥを示している。この実施例では、図４の解析対象において、Ｚ＝１９０ｃｍの位置をコード切替位置、ｚ＝２００ｃｍの位置を解析対象位置とした。
また各図において、横軸は解析対象位置のｘ座標、図中の細線ＡはＰＨＩＴＳコードのみによる解析結果、図中の黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、図中の黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
また各図において、横軸は解析対象位置のｘ座標、図中の細線ＡはＰＨＩＴＳコードのみによる解析結果、図中の黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、図中の黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）は、組織等価長１μｍの組織等価ガス（直径１２．７ｍｍ、圧力４．４０ｋＰａ）を内部に封入した計数管であり、生物効果評価方法（Ｍｉｃｒｏｄｏｓｉｍｅｔｒｙ）に基づきμｍ程度（細胞核と同程度のサイズ）の大きさの領域におけるエネルギー付与の計測を行うものである。
すなわち、線質が、微小領域におけるエネルギー付与のばらつきに依存するという仮定に基づき、本発明では、直径１２．７ｍｍの球形カウンタ内に、組織等価ガスを人体等価厚が１μｍとなるようにガス圧を調整して封入し、微小領域でのエネルギー付与を模擬した。また、評価対象は、１２Ｃペンシルビームの側方散乱特性とした。ビームをＡｌまたは水のターゲットに入射させ、散乱や核破砕による物理線量、および線質の空間分布をモンテカルロ計算により評価し、実験値との比較により精度検証を行った。モンテカルロコードは、ＰＨＩＴＳおよびＧＥＡＮＴ４を使用し，各々に線質評価のためのルーチンを組み入れた。
すなわち、線質が、微小領域におけるエネルギー付与のばらつきに依存するという仮定に基づき、本発明では、直径１２．７ｍｍの球形カウンタ内に、組織等価ガスを人体等価厚が１μｍとなるようにガス圧を調整して封入し、微小領域でのエネルギー付与を模擬した。また、評価対象は、１２Ｃペンシルビームの側方散乱特性とした。ビームをＡｌまたは水のターゲットに入射させ、散乱や核破砕による物理線量、および線質の空間分布をモンテカルロ計算により評価し、実験値との比較により精度検証を行った。モンテカルロコードは、ＰＨＩＴＳおよびＧＥＡＮＴ４を使用し，各々に線質評価のためのルーチンを組み入れた。
図７から、ＰＨＩＴＳコードのみによる解析結果Ａは、実測値Ｄと比較して、線エネルギーを約５０％過大評価し、生物効果を約２０％過大評価することがわかる。
これに対して、本発明による解析結果Ｃは、実測値Ｄと比較して、線エネルギーの相対誤差は約２０％であり、生物効果の相対誤差は約４％であり、実測値Ｄとよく一致していることがわかる。
これに対して、本発明による解析結果Ｃは、実測値Ｄと比較して、線エネルギーの相対誤差は約２０％であり、生物効果の相対誤差は約４％であり、実測値Ｄとよく一致していることがわかる。
図８は、本発明の第２実施例を示す図である。この図において（Ａ）は解析対象位置における線エネルギー、（Ｂ）は計算時間を示している。この実施例では、図４の解析対象において、Ｚ＝１９０ｃｍの位置をコード切替位置、ｚ＝２００ｃｍの位置を解析対象位置とした。
また図８（Ａ）において、横軸は解析対象位置のｘ座標、図中の逆三角Ａ（▼印）はＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析結果、菱形Ｂ（◆印）はＧＥＡＮＴ４コード（コード２）のみによる解析結果、黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
また図８（Ａ）において、横軸は解析対象位置のｘ座標、図中の逆三角Ａ（▼印）はＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析結果、菱形Ｂ（◆印）はＧＥＡＮＴ４コード（コード２）のみによる解析結果、黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
この図から、本発明による解析結果ＣとＧＥＡＮＴ４コード（コード２）のみによる解析結果Ｂは、実測値Ｄとよく一致していることがわかる。
また、図８（Ｂ）の表からわかるように、本発明の解析時間は、ＧＥＡＮＴ４コード（コード２）のみによる解析時間（５２時間）に比較して、ＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析時間に近い１４時間に過ぎず、解析時間が大幅に短縮されていることがわかる。
また、図８（Ｂ）の表からわかるように、本発明の解析時間は、ＧＥＡＮＴ４コード（コード２）のみによる解析時間（５２時間）に比較して、ＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析時間に近い１４時間に過ぎず、解析時間が大幅に短縮されていることがわかる。
上述したように、重粒子線がん治療への適用を目的として、本発明では、モンテカルロコード（ＰＨＩＴＳおよびＧＥＡＮＴ４）を用いた重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法と計算プログラムを創案した。また、本発明により、１２Ｃビームの側方散乱分布を対象として解析と実験とを比較した結果、生物効果において相対誤差約４％の範囲で一致した。
また、本発明の計算プログラムは、上述した計算方法をコンピュータを用いて実行するための、コンピュータプログラムである。
本発明の計算プログラムは、上述した第１モンテカルロコードと第２モンテカルロコードとデータ変換コードとを含んでいる。
またこの計算プログラムは、コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させるようになっている。
本発明の計算プログラムは、上述した第１モンテカルロコードと第２モンテカルロコードとデータ変換コードとを含んでいる。
またこの計算プログラムは、コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させるようになっている。
上述したように本発明の計算方法と計算プログラムでは、２次電子を考慮しない第１モンテカルロコードと、２次電子を考慮する第２モンテカルロコードを用い、この２つのモンテカルロコード間で粒子線のデータの受け渡しを行うインターフェイス（データ変換コード）を用いて、一つの計算対象系に対し、２つのモンテカルロコードを使用した。
その結果、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。
その結果、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。
ＰＨＩＴＳコードのみでは、上述したように線質および生物効果を過大評価する結果となった。この原因として、ＰＨＩＴＳコードではトラック構造を考慮していないことが考えられる。
図９は、１２Ｃの線エネルギー確率密度分布図である。この図において、ＡはＰＨＩＴＳコード、Ｃは本発明、Ｄは実測値である。この図から実際には，検出器が微小でありこの領域外へ飛び出すδ線も多数あると考えられるが、これを省いた結果、ＰＨＩＴＳコードＡでは高いエネルギー付与を示すイベントを多数カウントしている。
そこで、本発明では、トラック構造の計算モデルを有するＧＥＡＮＴ４コードを用いて、検出器の部分のみ再度計算を行った。その結果，上述したようにほぼ実験結果を再現する線質分布が得られた。
図９は、１２Ｃの線エネルギー確率密度分布図である。この図において、ＡはＰＨＩＴＳコード、Ｃは本発明、Ｄは実測値である。この図から実際には，検出器が微小でありこの領域外へ飛び出すδ線も多数あると考えられるが、これを省いた結果、ＰＨＩＴＳコードＡでは高いエネルギー付与を示すイベントを多数カウントしている。
そこで、本発明では、トラック構造の計算モデルを有するＧＥＡＮＴ４コードを用いて、検出器の部分のみ再度計算を行った。その結果，上述したようにほぼ実験結果を再現する線質分布が得られた。
図１０は、粒子線がん治療装置の概略図である。この図において、１は入射粒子すなわち荷電粒子、２は散乱体すなわちターゲット、９は２極磁石、１０はコリメータ、１１はマルチリーフコロメータ、１２はレンジシフタ、１３は水ファントム、１４はカウンタである。
入射粒子１は、２極磁石９，散乱体２（鉛など）で腫瘍患部のサイズに合わせてビームを空間的に拡大し、さらにコリメータ１０，１１で拡大されたビームが腫瘍の形になるようにビームを絞るようになっている。
入射粒子１は、２極磁石９，散乱体２（鉛など）で腫瘍患部のサイズに合わせてビームを空間的に拡大し、さらにコリメータ１０，１１で拡大されたビームが腫瘍の形になるようにビームを絞るようになっている。
その他に、エネルギーに変調を与えるリッジフィルタも使用するが、この例では省略している。
なお、最近の照射方法では、散乱体やコリメータを使わずに，２極磁石のみでビームを２次元的にスキャンする方法もある。この場合，リッジフィルタも使わず，レンジシフタの厚さを変えて，様々なエネルギーの粒子を打ち込む。
なお、最近の照射方法では、散乱体やコリメータを使わずに，２極磁石のみでビームを２次元的にスキャンする方法もある。この場合，リッジフィルタも使わず，レンジシフタの厚さを変えて，様々なエネルギーの粒子を打ち込む。
図１１は、本発明の第３実施例を示す図である。この実施例では図１０に示した装置を対象として実験値と計算値とを比較した。
図１１において、横軸はレンジシフタの水等価厚さ、縦軸は線エネルギーの平均値であり、図中の菱形Ａ（◆印）はＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析結果、黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
なお通常，カウンタを水中で動かして深さ方向の分布を得るが、この場合はレンジシフタの厚さを変えてこれを模擬した。
図１１において、横軸はレンジシフタの水等価厚さ、縦軸は線エネルギーの平均値であり、図中の菱形Ａ（◆印）はＰＨＩＴＳコード（コード１）のみによる解析結果、黒丸Ｃ（●印）は本発明による解析結果、黒角Ｄ（■印）は、組織等価比例計数管（ロッシカウンタ）で計測した実測値である。
なお通常，カウンタを水中で動かして深さ方向の分布を得るが、この場合はレンジシフタの厚さを変えてこれを模擬した。
この図から、ＰＨＩＴＳのみを使用した計算Ａ（◆印）では，特に浅い部分で線質を過大評価している。この領域では粒子線の運動エネルギーが大きく発生する２次電子の運動エネルギーも高いため、カウンタの外でエネルギーを付与する２次電子の割合が大きいことが考えられる。
一方、ピーク付近では、ＰＨＩＴＳの計算Ａ（◆印）と実験値Ｄ（■印）との乖離が小さくなっている。これは、ここでは粒子線の運動エネルギーが小さく、発生する２次電子の運動エネルギーが低いため、カウンタの中で止まってしまう電子の割合が高くなり、２次電子を考慮しない場合との差が小さくなるものと考えられる。
このような解釈から，２次電子が線質へ影響を与えていることが裏づけられる。
一方、ピーク付近では、ＰＨＩＴＳの計算Ａ（◆印）と実験値Ｄ（■印）との乖離が小さくなっている。これは、ここでは粒子線の運動エネルギーが小さく、発生する２次電子の運動エネルギーが低いため、カウンタの中で止まってしまう電子の割合が高くなり、２次電子を考慮しない場合との差が小さくなるものと考えられる。
このような解釈から，２次電子が線質へ影響を与えていることが裏づけられる。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
１ 荷電粒子（重粒子線ビーム、入射粒子）、
２ ターゲット（散乱体）、
３ 分散粒子、４ 粒子線、
５ 媒質、６ 進路に沿った付与エネルギー、
７ ２次電子線（δ線）、８ ２次電子による付与エネルギー、
９ ２極磁石、１０ コリメータ、
１１ マルチリーフコロメータ、１２ レンジシフタ、
１３ 水ファントム、１４ カウンタ
２ ターゲット（散乱体）、
３ 分散粒子、４ 粒子線、
５ 媒質、６ 進路に沿った付与エネルギー、
７ ２次電子線（δ線）、８ ２次電子による付与エネルギー、
９ ２極磁石、１０ コリメータ、
１１ マルチリーフコロメータ、１２ レンジシフタ、
１３ 水ファントム、１４ カウンタ
Claims (2)
- コンピュータに、粒子線が媒質を通過するとき、２次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第１モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、
重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力し、
コンピュータにより、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで行い、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換し、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで行い、
前記対象物が受ける重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力する、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法。 - 粒子線が媒質を通過するとき、２次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第１モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した２次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第２モンテカルロコードと、
第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとを有し、
コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第１モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第１モンテカルロコードの粒子データを第２モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第２モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させる、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算プログラム。
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