JP2010172427A - Method for simulation of activity distribution of positron emission nuclide in proton beam treatment - Google Patents
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Description
本発明は、人体に陽子線を照射することなくポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することが可能な陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a method for simulating activity distribution of positron-emitting nuclides in proton beam therapy that can calculate activity distribution of positron-emitting nuclides without irradiating a human body with proton beams.
患者（被照射体）の病変部（ターゲット）に、荷電粒子線や光子線等の放射線を照射して、その治療を行う放射線治療装置の１種である陽子線治療装置が知られている。この陽子線治療装置は、線形加速器（リニアック）、サイクロトロン、シンクロトロン等の加速器を用いて多数のプロトンを加速し、束になって流れている状態のプロトン（陽子線）をターゲットに照射するものである。陽子線は線量集中性に優れており、ターゲット以外の部分への照射線量を減少させることができるので、安全性の高い放射線治療装置として注目されている。 2. Description of the Related Art A proton beam therapy apparatus that is a type of radiation therapy apparatus that performs treatment by irradiating a lesioned part (target) of a patient (irradiated body) with radiation such as a charged particle beam or a photon beam is known. This proton beam treatment device uses a linear accelerator (linac), cyclotron, synchrotron, or other accelerator to accelerate a large number of protons and irradiates the target with protons (proton beams) that are flowing in bundles. It is. Proton beams are attracting attention as a highly safe radiotherapy device because they are excellent in dose concentration and can reduce the irradiation dose to portions other than the target.
近年、医療現場のニーズに応えるために様々な陽子線治療装置が開発されており、先に本願発明者らは、被照射体の重要臓器、脳幹、視神経、脊髄等へ照射する際の悪影響を最小限に抑えることができる、陽子線回転ガントリーポートにＢｅａｍ ｏｎ−ｌｉｎｅ ＰＥＴ ｓｙｓｔｅｍ（Ｂｅａｍ ｏｎ−ｌｉｎｅ ＰＥＴ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ａ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｇａｎｔｒｙ ｐｏｒｔ：ＢＯＬＰｓ−ＲＧｐ）を設置した陽子線治療装置（以下、『ＢＯＬＰｓ装置』という）を開発した（例えば、非特許文献１参照）。このＢＯＬＰｓ装置は、ターゲットに照射する陽子線に含まれるプロトンと、酸素、炭素、窒素、カルシウム等の人体組織の構成元素（以下、『人体構成元素』という）の原子核との原子核破砕反応によって生成されたポジトロン放出核種の消滅γ線を検出し、検出された消滅γ線を用いてポジトロン放出核種の強度分布（アクティビティ分布）を作成することで、被照射体の体内における陽子線照射領域（アクティビティ画像）を可視化して、陽子線の照射精度を向上させたものである。 In recent years, various proton beam treatment devices have been developed to meet the needs of medical sites, and the inventors of the present application have previously described adverse effects when irradiating important organs, brainstems, optic nerves, spinal cords, etc. of irradiated subjects. A proton beam treatment apparatus (hereinafter referred to as “B”, “BLPs-RGp”), which has a beam-on-line PET system mounted on a proton-rotating gantry port that can be minimized. (Referred to as non-patent document 1). This BOLPs device is generated by a nuclear fragmentation reaction between protons contained in a proton beam irradiated to a target and nuclei of constituent elements of human tissue such as oxygen, carbon, nitrogen and calcium (hereinafter referred to as “human body constituent elements”). By detecting the annihilation γ-rays of the detected positron-emitting nuclides and creating the intensity distribution (activity distribution) of the positron-emitting nuclides using the detected annihilation γ-rays, the proton irradiation region (activity) in the body of the irradiated object Image) and the proton beam irradiation accuracy is improved.
かかるＢＯＬＰｓ装置を用いて治療を行う場合には、ターゲットである腫瘍等の形状や位置に応じて絶対線量、線量分布、照射位置等を含めた治療計画を立案する必要があり、この計画に従うことで精度良くターゲットに陽子線を照射することができる。臨床現場では、実測されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布の形状変化を相対的に比較することで、計画された陽子線の線量分布の精度を保証する"相対的手法"が取られている。即ち、初回の治療で得られたＢＯＬＰｓ装置によるアクティビティ画像（リファレンス）と、日々の治療で得られたアクティビティ画像との分布形状を比較・観察して時間の経過と共に変化するターゲットに合わせて治療計画を変更し、ターゲットへ的確に陽子線が照射されているか、重要臓器への線量投与は問題ないか等の各項目を確認し、治療期間中での照射精度が担保されている。 When performing treatment using such BOLPs devices, it is necessary to formulate a treatment plan that includes the absolute dose, dose distribution, irradiation position, etc. according to the shape and position of the target tumor, etc. The target can be irradiated with a proton beam with high accuracy. In clinical practice, a “relative technique” is used to ensure the accuracy of the planned proton dose distribution by relatively comparing the measured changes in the activity distribution of positron emitting nuclides. That is, the treatment plan according to the target that changes with the passage of time by comparing and observing the distribution shape of the activity image (reference) by the BOLPs device obtained by the first treatment and the activity image obtained by the daily treatment. The irradiation accuracy during the treatment period is ensured by confirming each item such as whether the target is properly irradiated with proton beams or whether there is no problem with dose administration to an important organ.
一方、実測されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布を用いて計画された陽子線の線量分布の精度を検証するためには、この線量分布からポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算する必要がある。従来、これを実施するためには、プロトンと人体構成元素の原子核との反応率を示す値（反応断面積）を用い、モンテカルロ法等に組み込んで計算するしか方法が無かった。 On the other hand, in order to verify the accuracy of the proton dose distribution planned using the measured activity distribution of positron emitting nuclides, it is necessary to calculate the activity distribution of positron emitting nuclides from this dose distribution. Conventionally, in order to implement this, there has been only a method of calculating by incorporating a value (reaction cross section) indicating a reaction rate between protons and nuclei of human body constituent elements into a Monte Carlo method or the like.
しかしながら、上記従来技術では、陽子線のエネルギーおよび生成されたポジトロン放出核種に依存する反応断面積を必要とするところ、プロトンと人体構成元素の原子核との原子核破砕反応において生成されるポジトロン放出核の種類およびその生成確率（反応チャンネル）が不明であるので、反応断面積を決定することは非常に困難であった。 However, the above prior art requires a reaction cross section that depends on the energy of the proton beam and the generated positron emitting nuclide, so that the positron emitting nucleus generated in the nuclear fragmentation reaction between the proton and the nucleus of the human body element is generated. Since the type and its generation probability (reaction channel) are unknown, it was very difficult to determine the reaction cross section.
また、モンテカルロ法は乱数を利用する統計的な計算方法であるため、ポジトロン放出核種の反応チャンネルをそれぞれ決定することができたとしても、反応断面積の計算に少なくとも数時間を要してしまい、実臨床における治療ルーチンの中で利用することは不可能であった。 In addition, since the Monte Carlo method is a statistical calculation method using random numbers, even if each reaction channel of the positron emitting nuclide can be determined, it takes at least several hours to calculate the reaction cross section, It was not possible to use it in the actual clinical treatment routine.
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、陽子線を用いた治療において、実臨床で利用可能な程度に高速且つ高精度なポジトロン放出核種分布のシミュレーション方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide a positron-emitting nuclide that is high-speed and high-accuracy to the extent that it can be used in clinical practice in treatment using proton beams. It is to provide a simulation method of distribution.
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following means.
（１）すなわち、本発明は、特定の人体組織の構成元素を含む標準物質に陽子線を照射することにより生成されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布の実測値を得る第１のステップと、前記第１のステップで得られた前記実測値を用いてペンシルビーム法により前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算する第２のステップと、を有することを特徴とする、陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (1) That is, the present invention provides a first step of obtaining an actual measurement value of an activity distribution of a positron emitting nuclide generated by irradiating a standard material containing a constituent element of a specific human tissue with a proton beam; A second step of calculating an activity distribution of positron emitting nuclides when the human tissue is irradiated with a proton beam by a pencil beam method using the actual measurement value obtained in step 1; This is a method for simulating the activity distribution of positron emitting nuclides in proton therapy.
（２）本発明はまた、前記第１のステップで得られた前記実測値を用いて、前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算する第３のステップをさらに有し、前記第２のステップは、前記第３のステップで得られた前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を用い、前記人体組織の元素組成比に基づいて前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することを特徴とする、（１）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (2) The present invention further includes a third step of calculating an activity distribution of positron emitting nuclides of each constituent element of the human tissue using the actual measurement value obtained in the first step, The second step uses the activity distribution of positron emitting nuclides of each constituent element of the human tissue obtained in the third step, and generates a proton beam on the human tissue based on the elemental composition ratio of the human tissue. The activity distribution of positron emitting nuclides in proton beam treatment according to (1), wherein the activity distribution of positron emitting nuclides when irradiated is calculated.
（３）本発明はまた、前記人体組織は、肝臓、脂肪組織、軟部組織、肺、筋肉、骨、脳、血液、皮膚、乳房または前立腺である、（１）または（２）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (3) The proton according to (1) or (2), wherein the human body tissue is liver, adipose tissue, soft tissue, lung, muscle, bone, brain, blood, skin, breast, or prostate. This is a method for simulating the activity distribution of positron emitting nuclides in radiotherapy.
（４）本発明はまた、前記構成元素は、炭素、窒素、酸素、カルシウム、リン、鉄、カリウム、硫黄、塩素、ナトリウムまたはマグネシウムである、（１）〜（３）の何れか１項に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (4) In the invention, any one of (1) to (3), wherein the constituent element is carbon, nitrogen, oxygen, calcium, phosphorus, iron, potassium, sulfur, chlorine, sodium, or magnesium. It is a simulation method of activity distribution of the positron emitting nuclide in the proton beam treatment described.
（５）本発明はまた、炭素から生成されるポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算するための標準物質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ルサイトまたはグラファイトである、（２）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (5) In the present invention, the reference material for calculating the activity distribution of the positron emitting nuclide generated from carbon is polyethylene, polypropylene, lucite or graphite, and the positron emission in the proton beam treatment according to (2) This is a method for simulating the activity distribution of nuclides.
（６）本発明はまた、窒素から生成されるポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算するための標準物質は、アンモニア水または液体窒素である、（２）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (6) In the present invention, the standard substance for calculating the activity distribution of the positron emitting nuclide generated from nitrogen is ammonia water or liquid nitrogen. The positron emitting nuclide in proton beam therapy according to (2) It is an activity distribution simulation method.
（７）本発明はまた、酸素から生成されるポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算するための標準物質は、水、ゼラチンまたは氷である、（２）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (7) In the present invention, the reference material for calculating the activity distribution of the positron emitting nuclide generated from oxygen is water, gelatin or ice, and the positron emitting nuclide in the proton beam therapy according to (2) It is an activity distribution simulation method.
（８）本発明はまた、カルシウムから生成されるポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算するための標準物質は、酸化カルシウムまたはカルシウムである、（２）に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (8) The present invention also relates to the activity of the positron-emitting nuclide in the proton beam treatment according to (2), wherein the standard substance for calculating the activity distribution of the positron-emitting nuclide generated from calcium is calcium oxide or calcium. This is a distribution simulation method.
（９）本発明はまた、陽子線回転ガントリーポートにビームオンラインポジトロン断層画像システムを設置した陽子線治療装置を用いることを特徴とする、（１）〜（８）の何れか１項に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法である。 (9) The present invention also uses a proton beam therapy apparatus in which a beam online positron tomographic imaging system is installed in a proton beam rotating gantry port, according to any one of (1) to (8), This is a method for simulating the activity distribution of positron emitting nuclides in proton therapy.
本発明によれば、特定の人体組織の構成元素を含む標準物質に陽子線を照射することにより生成されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布の実測値を用いて、前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することにより、当該アクティビティ分布の計算値を利用して、前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することができるので、陽子線を用いた治療におけるポジトロン放出核種分布のシミュレーションを実行することができる。 According to the present invention, the positron of each constituent element of the human tissue is obtained by using the measured activity distribution of the positron emitting nuclide generated by irradiating the standard substance containing the constituent element of the specific human tissue with the proton beam. By calculating the activity distribution of the emission nuclide, the activity distribution of the positron emission nuclide when the human tissue is irradiated with a proton beam can be calculated using the calculated value of the activity distribution. A simulation of the positron emitting nuclide distribution in the treatment used can be performed.
また、本発明によれば、ポジトロン放出核種のアクティビティ分布を、実測した各深部線量分布からペンシルビーム法により算出することができ、従来のモンテカルロ法を用いる必要がなくなったので、計算時間を大幅に短縮することができる。また、実測した各深部線量分布を用いてポジトロン放出核種のアクティビティ分布を算出しているので、計算精度を低下させることなくポジトロン放出核種のアクティビティ分布を算出することができ、実臨床における治療ルーチンの中で利用することができる。 In addition, according to the present invention, the activity distribution of positron emitting nuclides can be calculated from the measured deep dose distributions by the pencil beam method, eliminating the need to use the conventional Monte Carlo method, greatly increasing the calculation time. It can be shortened. In addition, since the activity distribution of positron emitting nuclides is calculated using each measured depth dose distribution, the activity distribution of positron emitting nuclides can be calculated without reducing the calculation accuracy. Can be used in.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、ＢＯＬＰｓ装置を用いて説明を行うが、陽子線照射に伴うポジトロン放出核種を検出することができれば、他の陽子線治療装置等が用いられてもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, although this embodiment demonstrates using a BOLPs apparatus, if a positron emission nuclide accompanying proton beam irradiation can be detected, another proton beam therapy apparatus etc. may be used.
図１は、本実施形態において用いられるＢＯＬＰｓ装置を示す図である。図１に示すように、ＢＯＬＰｓ装置１０は、患者２０（被照射体）の体内の腫瘍Ｐ（ターゲット）に対して陽子線を照射する装置である。ＢＯＬＰｓ装置１０は、回転ガントリ１０１（照射室）に取り付けられて治療台１０２（載置台）の回りに回転可能とされた陽子線照射部１０３を備え、また、回転ガントリ１０１に取り付けられて治療台１０２の回りに回転可能とされた一対のＰＥＴカメラ１０４１（第１の検出器、第２の検出器）を有するＰＥＴ装置１０４を備えている。 FIG. 1 is a diagram showing a BOLPs device used in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the BOLPs apparatus 10 is an apparatus that irradiates a tumor P (target) in the body of a patient 20 (irradiated body) with a proton beam. The BOLPs apparatus 10 includes a proton beam irradiation unit 103 that is attached to a rotating gantry 101 (irradiation chamber) and is rotatable around a treatment table 102 (mounting table). A PET apparatus 104 having a pair of PET cameras 1041 (a first detector and a second detector) that can be rotated around 102 is provided.
陽子線照射部１０３は、陽子線の照射方向Ａに順に配列され、陽子線ビームを順に通過させてビームを整形する散乱体、リッジフィルタ、ファインディグレーダ、ブロックコリメータ、ボーラス、マルチリーフコリメータ、装置各部の駆動を制御する照射制御部等を備えている。これらの各装置が相互的に機能することにより、陽子線発生部として機能するサイクロトロンで発生し、輸送装置を通じて陽子線照射部１０３に送り込まれた陽子線を、腫瘍Ｐに対して照射することができる。 The proton beam irradiation unit 103 is arranged in order in the irradiation direction A of the proton beam, and the scatterer, the ridge filter, the fine degrader, the block collimator, the bolus, the multi-leaf collimator, and the device that shapes the beam by sequentially passing the proton beam An irradiation control unit for controlling driving of each unit is provided. By mutually functioning each of these devices, the tumor P can be irradiated with the proton beam generated by the cyclotron functioning as the proton beam generation unit and sent to the proton beam irradiation unit 103 through the transport device. it can.
ＰＥＴ装置１０４は、ＰＥＴカメラ１０４１の他に、画像処理部、記録部、表示部等を備えている。画像処理部は、ＰＥＴカメラ１０４１によって取得された画像情報に基づいて画像処理を行い、ＰＥＴ画像を構成する。記録部は、生成されたＰＥＴ画像等を記録する。生成されたＰＥＴ画像は、表示部により表示される。ＰＥＴカメラ１０４１は、治療台１０２上の患者２０の両側に配置され、消滅γ線を検出するものである。具体的には、患者２０には腫瘍Ｐに集積する１１Ｃメチオニン等の放射性薬剤が投与（注入）され、ＰＥＴカメラ１０４１は、腫瘍Ｐ（放射性薬剤の到達位置）から発生する消滅γ線を検出する。ＰＥＴ装置１０４は、ＰＥＴカメラ１０４１による消滅γ線の検出結果に基づいて腫瘍Ｐの位置を検出する照射目標位置検出手段として機能するものである。これにより、患者２０に照射された陽子線に含まれるプロトンと腫瘍Ｐを構成する元素の原子核との原子核破砕反応によって生成されたポジトロン放出核種からの消滅γ線を検出することができる。そして、ＰＥＴカメラ１０４１による消滅γ線の検出結果に基づいて実際に照射された陽子線の患者２０の体内における到達位置を検出する陽子線到達位置検出手段として機能するものである。すなわち、図２に示すように、治療で用いる陽子線に含まれるプロトンと患者２０の腫瘍Ｐを構成する元素の原子核との原子核破砕反応により体内中で生成されるポジトロン放出核種がβ＋崩壊により放出したポジトロンと電子との結合により放出された消滅γ線をＰＥＴカメラ１０４１が検出し、当該ポジトロン放出核種の強度分布（アクティビティ分布）を測定することで、患者２０体内における実際の陽子線到達位置を検出することができる。 In addition to the PET camera 1041, the PET device 104 includes an image processing unit, a recording unit, a display unit, and the like. The image processing unit performs image processing based on the image information acquired by the PET camera 1041, and constructs a PET image. The recording unit records the generated PET image and the like. The generated PET image is displayed by the display unit. The PET cameras 1041 are disposed on both sides of the patient 20 on the treatment table 102 and detect annihilation γ rays. Specifically, the patient 20 is administered (injected) with a radiopharmaceutical such as 11 C methionine that accumulates in the tumor P, and the PET camera 1041 detects annihilation gamma rays generated from the tumor P (position where the radiopharmaceutical reaches). To do. The PET apparatus 104 functions as an irradiation target position detection unit that detects the position of the tumor P based on the detection result of the annihilation γ rays by the PET camera 1041. Thereby, the annihilation γ-ray from the positron emitting nuclide generated by the nuclear fragmentation reaction between the proton contained in the proton beam irradiated to the patient 20 and the atomic nucleus of the element constituting the tumor P can be detected. And it functions as a proton beam arrival position detection means for detecting the arrival position of the actually irradiated proton beam in the body of the patient 20 based on the detection result of the annihilation γ rays by the PET camera 1041. That is, as shown in FIG. 2, the positron emitting nuclide generated in the body by the nuclear fragmentation reaction between the protons contained in the proton beam used in the treatment and the nuclei of the elements constituting the tumor P of the patient 20 is caused by β + decay. The PET camera 1041 detects the annihilation γ-rays emitted by the combination of the emitted positrons and electrons, and measures the intensity distribution (activity distribution) of the positron emitting nuclides. Can be detected.
図３は、ＢＯＬＰｓ装置の実臨床での実施フローを示した図である。図３に示すように、ＰＥＴ装置においては、実測されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布の形状変化を相対的に比較することで、計画された陽子線の線量分布の精度を保証する"相対的手法"が取られている（実施フロー（ａ）参照）。この手法において、ターゲットに陽子線を照射することにより実測されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布を用いて計画された陽子線の線量分布の精度を検証するためには、この線量分布からポジトロン放出核種のアクティビティ分布をシミュレーションする必要がある（実施フロー（ｂ）参照）。従来、この実施を行うためには、プロトンと人体構成元素の原子核との反応率を示す値（反応断面積）を用い、モンテカルロ法等に組み込んで計算するしか方法が無いとされていた。 FIG. 3 is a diagram showing an actual clinical implementation flow of the BOLPs apparatus. As shown in FIG. 3, in the PET apparatus, by comparing the shape change of the activity distribution of the measured positron emitting nuclide relatively, the accuracy of the planned proton beam dose distribution is guaranteed. "Is taken (see implementation flow (a)). In this method, in order to verify the accuracy of the proton dose distribution planned using the activity distribution of the positron emission nuclide measured by irradiating the target with the proton beam, the dose distribution of the positron emission nuclide is determined from this dose distribution. It is necessary to simulate the activity distribution (see implementation flow (b)). Conventionally, in order to carry out this implementation, it has been said that there is only a method of calculating by incorporating a value (reaction cross section) indicating a reaction rate between protons and nuclei of human body constituent elements into a Monte Carlo method or the like.
しかしながら、陽子線のエネルギーおよび生成されたポジトロン放出核種に依存する反応断面積を必要とするところ、プロトンと人体構成元素の原子核との原子核破砕反応において生成されるポジトロン放出核の種類およびその生成確率（反応チャンネル）が不明であるので、反応断面積を決定することは非常に困難である。また、モンテカルロ法は乱数を利用する統計的な計算方法であるため、ポジトロン放出核種の反応チャンネルをそれぞれ決定することができたとしても、反応断面積の計算に少なくとも数時間を要してしまい、実臨床における治療ルーチンの中での利用は不可能である。 However, it requires a reaction cross section that depends on the energy of the proton beam and the generated positron-emitting nuclides, and the type of positron-emitting nuclei generated in the nuclear fragmentation reaction between protons and nuclei of human constituent elements and the probability Since the (reaction channel) is unknown, it is very difficult to determine the reaction cross section. In addition, since the Monte Carlo method is a statistical calculation method using random numbers, even if each reaction channel of the positron emitting nuclide can be determined, it takes at least several hours to calculate the reaction cross section, It cannot be used in the treatment routine in actual clinical practice.
そこで、本発明においては、従来から陽子線の線量計算において利用されているペンシルビーム法を利用することを試み、図３の実施フロー（ａ）に実施フロー（ｂ）を加えた、実臨床での利用を可能とする程度に高速且つ高精度な、ポジトロン放出核種分布のシミュレーション方法を完成させた。 Therefore, in the present invention, an attempt was made to use the pencil beam method that has been used in proton dose calculation in the past, and an implementation flow (b) was added to the implementation flow (a) in FIG. A high-speed and high-accuracy positron-emitting nuclide distribution simulation method has been completed.
一般的な陽子線の線量計算は、計算精度と計算時間とのバランスが取れたペンシルビーム法を用いて行われる。この線量計算においては、陽子線を細いペンシル形状の線量分布として扱い、それを照射野内で複数にセグメント化した各々の微小領域に対して重畳積分することで、照射領域全体の線量分布計算を実施する。例えば、陽子線治療計画装置においては、水中でのビームエネルギー、拡大ブラッグピーク（Ｓｐｒｅａｄ Ｏｕｔ ｏｆ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ；ＳＯＢＰ）およびファインデグレーダ（ＦＤ）の各深部線量分布を実測により決定し、物質中での多重散乱効果の計算による、各深部点でビーム軸垂直平面内での２次元カーネル化により、ＳＯＢＰペンシルビーム線量分布をデータ化して利用する。実測による深部線量分布を利用している理由は、この線量分布形状を計算のみで精度良く算出することが非常に困難なためである。 A general proton beam dose calculation is performed using a pencil beam method in which calculation accuracy and calculation time are balanced. In this dose calculation, the proton beam is treated as a thin pencil-shaped dose distribution, which is superimposed and integrated on each minute area segmented in the irradiation field to calculate the dose distribution for the entire irradiation area. To do. For example, in the proton therapy planning device, the beam dose in water, the spread Bragg peak (Spread Out of Bragg Peak; SOBP) and the fine doser (FD) deep dose distribution are determined by actual measurement, The SOBP pencil beam dose distribution is converted into data and used by two-dimensional kernelization in the beam axis vertical plane at each deep point by calculating the multiple scattering effect. The reason why the deep dose distribution obtained by actual measurement is used is that it is very difficult to accurately calculate the dose distribution shape only by calculation.
本発明でも同様に、ポジトロン放出核種のアクティビティ分布のペンシルビーム化を、ビーム条件ごとにＳＯＢＰペンシルビームアクティビティ分布をデータ化することにより行う。図４は、水に対するペンシルビーム化した２２３ＭｅＶのＭＯＮＯの陽子線線量分布とアクティビティ分布である。 Similarly, in the present invention, the activity distribution of the positron emitting nuclide is converted into a pencil beam by converting the SOBP pencil beam activity distribution into data for each beam condition. FIG. 4 is a proton beam dose distribution and activity distribution of pencil beam 223 MeV MONO for water.
ここで、人体の各組織に含まれる元素の組成比は、図５に示すとおり既知である。したがって、ＢＯＬＰｓ装置を利用して、炭素、窒素、酸素、カルシウム、リン、鉄、カリウム、硫黄、塩素、ナトリウム、マグネシウム等の人体構成元素の原子をそれぞれ含む物質（標準物質）のポジトロン放出核種のアクティビティ分布の実測値を得て、当該実測値を用いて各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を算出することにより、当該各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布の計算値と人体組織の元素組成比とを用いて、所望の人体組織のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することができる。 Here, the composition ratio of the elements contained in each tissue of the human body is known as shown in FIG. Therefore, using the BOLPs device, positron emitting nuclides of substances (standard substances) that contain atoms of human constituent elements such as carbon, nitrogen, oxygen, calcium, phosphorus, iron, potassium, sulfur, chlorine, sodium, magnesium, etc. By calculating the activity distribution of the positron-emitting nuclides of each constituent element using the measured values of the activity distribution and calculating the activity distribution of the positron-emitting nuclides of each constituent element using the measured values, Using the composition ratio, the activity distribution of the positron emitting nuclide of the desired human tissue can be calculated.
具体的には、炭素原子核のアクティビティ深部分布を実測する場合には、標準物質として所定形状のポリエチレン、ポリプロピレン、ルサイト、グラファイト等を用いて行い、窒素原子核のアクティビティ深部分布を実測する場合には、標準物質として所定形状のゼラチン等で固めたアンモニア水、液体窒素等を用いて行い、酸素原子核のアクティビティ深部分布を実測する場合には、標準物質としてアンモニア水と同様にして固めた水、ゼラチン、氷等を用いて行い、カルシウム原子核のアクティビティ深部分布を実測する場合には、標準物質として所定形状の酸化カルシウム、カルシウム等を用い、得られた各標準物質のポジトロン放出核種のアクティビティ分布に基づいて、ターゲットに陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することができる。ここに挙げた標準物質としては、各構成元素の単体や、目的の構成元素以外に水素のみを含む単純構造の化合物等を用いることが好ましい。水素原子核とプロトンは陽子線治療におけるエネルギー領域では反応しないので、水素を含んでいても目的の構成元素の原子核についてのアクティビティ深部分布を得ることができるからである。また、アンモニア水や酸化カルシウムを標準物質として用いる場合には、純水の実験結果との差分法により、窒素原子核やカルシウム原子核から生成されるアクティビティ深部分布を決定する。また、深部アクティビティ分布は時間により形状変化を伴うため、格納するデータ情報群には時間依存性を考慮させる必要がある。 Specifically, when measuring the activity deep distribution of carbon nuclei, it is performed using polyethylene, polypropylene, lucite, graphite, etc. of a predetermined shape as a standard material, and when measuring the activity deep distribution of nitrogen nuclei, When measuring the activity depth distribution of oxygen nuclei using ammonia water, liquid nitrogen, etc., solidified with gelatin of a predetermined shape as a standard substance, water, gelatin, When measuring the activity depth distribution of calcium nuclei using ice, etc., use calcium oxide, calcium, etc. of a predetermined shape as a standard substance, and based on the activity distribution of the positron-emitting nuclides of each standard substance obtained. Of positron-emitting nuclides when the target is irradiated with proton beams It can be calculated Activity distribution. As the standard substances listed here, it is preferable to use simple substances of each constituent element, simple compounds containing only hydrogen in addition to the target constituent element, and the like. This is because hydrogen nuclei and protons do not react in the energy region in proton beam therapy, so that even if hydrogen is contained, an activity deep distribution with respect to the nucleus of the target constituent element can be obtained. In addition, when ammonia water or calcium oxide is used as a standard substance, the activity depth distribution generated from nitrogen nuclei or calcium nuclei is determined by a difference method from the experimental result of pure water. Further, since the deep activity distribution is accompanied by a change in shape with time, it is necessary to consider time dependency in the data information group to be stored.
この手法による特徴は、陽子線照射において、人体構成元素の原子核である炭素原子核、窒素原子核、酸素原子核、カルシウム原子核等から生成された、エネルギー依存を持つポジトロン放出核がどんな種類であり、また、どれだけの量が生成されたかを知る必要性がないことである。この手法を用いれば、陽子線が腫瘍等のターゲットに入射して停止するまでに相当する厚みを持つポリエチレン、アンモニア水、純水、酸化カルシウム等をターゲットとし、陽子線を照射したときにＢＯＬＰｓ装置によって実測される深部方向のアクティビティ分布をそのまま利用することができるので、実際の患者への陽子線照射によって生成されるポジトロン放出核のアクティビティ分布を直接的に決定することができる。 What is characteristic of this method is what kind of energy-dependent positron emission nuclei generated from carbon nuclei, nitrogen nuclei, oxygen nuclei, calcium nuclei, etc., which are the nuclei of human constituent elements, in proton irradiation, There is no need to know how much has been generated. If this method is used, a BOLPs apparatus will be used when a proton beam is irradiated with a proton, ammonia water, pure water, calcium oxide or the like having a thickness corresponding to the time until the proton beam enters a target such as a tumor and stops. Since the activity distribution in the deep direction measured by the above can be used as it is, the activity distribution of the positron emitting nuclei generated by the proton irradiation to the actual patient can be directly determined.
一般的には、陽子線の深部線量分布の計算と比較して、ポジトロン放出核種の深部アクティビティ分布の計算の方が、精度追求が困難であることが知られている。図６に示すように、１つの人体構成元素の原子核から生成されるポジトロン放出核種は複数のものであるので、このようなポジトロン放出核種を生成する原子核破砕反応を含み、多岐に渡る複雑な原子核破砕反応による反応チャンネル毎の反応断面積値を決定することは容易ではない。また、図５に示すとおり、各人体組織によって人体構成元素の組成比は異なるものであるので、このような要素についても検討する必要があり、上記反応断面積値の決定をより困難なものとしている。 In general, it is known that the pursuit of accuracy is more difficult in the calculation of the deep activity distribution of the positron emitting nuclide than in the calculation of the deep dose distribution of the proton beam. As shown in FIG. 6, since there are a plurality of positron emitting nuclides generated from the nuclei of one human constituent element, a variety of complex nuclei including a nuclear fragmentation reaction that generates such positron emitting nuclides are included. It is not easy to determine the reaction cross section value for each reaction channel by the crushing reaction. In addition, as shown in FIG. 5, since the composition ratio of the human body constituent elements differs depending on each human body tissue, it is necessary to consider such elements, and the determination of the reaction cross section value is more difficult. Yes.
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、図４に示す、患者を想定した上記標準物質を用いて実測により直接的に得られるアクティビティ分布は、反応断面積を利用し計算されたアクティビティ分布の結果よりもシンプルかつ高精度である。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the activity distribution obtained directly by actual measurement using the above-mentioned standard substance assuming a patient shown in FIG. It is simpler and more accurate than the calculated activity distribution result.
なお、本発明のポジトロン放出核種分布のシミュレーション方法は、上記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、ポジトロン放出核種を生成させることができれば陽子線の代わりに、π中間子線、陽子線、重イオン線等の荷電粒子線や、Ｘ線、γ線等の光子線が用いられてもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The positron emission nuclide distribution simulation method of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, if a positron emission nuclide can be generated, instead of a proton beam, a pion line, a proton beam, Charged particle beams such as heavy ion beams and photon beams such as X-rays and γ-rays may be used, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
上述したように、本発明は、特定の人体組織の構成元素を含む標準物質に陽子線を照射することにより生成されたポジトロン放出核種のアクティビティ分布の実測値を用いて、前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算し、ここで得られた前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布に基づいて、前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算するので、陽子線を用いた治療におけるポジトロン放出核種分布のシミュレーションを実行することができる。また、ポジトロン放出核種のアクティビティ分布を、実測した各深部線量分布からペンシルビーム法により算出することができ、従来のモンテカルロ法を用いる必要がなくなったので、計算時間を大幅に短縮することができる。また、実測した各深部線量分布を用いてポジトロン放出核種のアクティビティ分布を算出しているので、計算精度を低下させることなくポジトロン放出核種のアクティビティ分布を算出することができ、実臨床における治療ルーチンの中で利用することができる。したがって、本発明の方法は、陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法に利用した場合極めて有用である。 As described above, the present invention uses the measured values of the activity distribution of the positron-emitting nuclides generated by irradiating the standard substance containing the constituent elements of a specific human tissue with a proton beam, and each component of the human tissue. The activity distribution of the positron emitting nuclide of the element is calculated, and based on the activity distribution of the positron emitting nuclide of each constituent element of the human tissue obtained here, the positron emitting nuclide when the human tissue is irradiated with a proton beam is calculated. Since the activity distribution is calculated, a simulation of the positron-emitting nuclide distribution in treatment with proton beams can be performed. In addition, the activity distribution of positron emitting nuclides can be calculated from the measured deep dose distribution by the pencil beam method, and it is no longer necessary to use the conventional Monte Carlo method, so that the calculation time can be greatly shortened. In addition, since the activity distribution of positron emitting nuclides is calculated using each measured depth dose distribution, the activity distribution of positron emitting nuclides can be calculated without reducing the calculation accuracy. Can be used in. Therefore, the method of the present invention is extremely useful when applied to a method for simulating the activity distribution of positron emitting nuclides in proton therapy.
１０・・・ＢＯＬＰｓ装置
１０１・・・回転ガントリ
１０２・・・治療台
１０３・・・陽子線照射部
１０４・・・ＰＥＴ装置
１０４１・・・ＰＥＴカメラ
２０・・・患者
Ｐ・・・腫瘍
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... BOLPs apparatus 101 ... Rotary gantry 102 ... Treatment table 103 ... Proton irradiation part 104 ... PET apparatus 1041 ... PET camera 20 ... Patient P ... Tumor
Claims (9)
前記第１のステップで得られた前記実測値を用いてペンシルビーム法により前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算する第２のステップと、
を有することを特徴とする、陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法。 A first step of obtaining an actual measurement of an activity distribution of a positron emitting nuclide generated by irradiating a reference material containing a constituent element of a specific human tissue with a proton beam;
A second step of calculating an activity distribution of positron emitting nuclides when the human tissue is irradiated with a proton beam by a pencil beam method using the actual measurement value obtained in the first step;
A method for simulating the activity distribution of positron emitting nuclides in proton beam therapy.
前記第２のステップは、前記第３のステップで得られた前記人体組織の各構成元素のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を用い、前記人体組織の元素組成比に基づいて前記人体組織に陽子線を照射した場合のポジトロン放出核種のアクティビティ分布を計算することを特徴とする、請求項１に記載の陽子線治療におけるポジトロン放出核種のアクティビティ分布のシミュレーション方法。 A third step of calculating an activity distribution of positron emitting nuclides of each constituent element of the human tissue using the actual measurement value obtained in the first step;
The second step uses the activity distribution of positron emitting nuclides of each constituent element of the human tissue obtained in the third step, and generates a proton beam on the human tissue based on the elemental composition ratio of the human tissue. 2. The method for simulating activity distribution of positron emitting nuclides in proton beam therapy according to claim 1, wherein the activity distribution of positron emitting nuclides when irradiated is calculated.
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