JP2011133467A - 放射線強度分布又は吸収線量分布を測定する方法、装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】水ファントムのアライメント作業が不要な放射線強度分布測定方法を提供する。
【解決手段】放射線場の基準座標系を示す指標を検出するアライメント測定ユニットを３次元スキャナ３００に装着し、３次元スキャナ３００を走査しながら指標の位置を検出する指標検出ステップと、検出した指標の３次元スキャナ３００の走査座標上の位置に基づき、基準座標系に変換する変換式を生成する変換式生成ステップと、基準座標系により記述された３次元スキャナ３００の移動目標を取得する移動目標取得ステップと、変換式に従って取得した移動目標を走査座標系の移動目標に変換する移動目標変換ステップと、放射線検出器を３次元スキャナ３００に装着した状態で変換した移動目標に従って３次元スキャナ３００を走査しながら放射線強度分布を測定する放射線測定ステップとで構成し、３次元スキャナ３００の位置精度を向上させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、治療用放射線の水中における吸収線量分布を測定するための水ファントム型吸収線量分布測定装置及び当該装置に適した放射線強度分布測定方法、吸収線量分布測定方法、放射線強度分布測定装置、及びプログラムに関する。

Ｘ線や電子線等の放射線を病巣に照射することによって悪性腫瘍等の疾患を治療するために直線加速器（リニアック）をはじめとする放射線治療装置が広く使用されている。放射線治療においては、放射線照射野を標的部位（病巣）に正確に一致させ、尚且つ照射線量を正確に制御することが重要となる。そのため、放射線治療装置による治療を行う際には、治療に用いられる放射線ビームを人体に照射した際に人体組織によって吸収される放射線量の分布（吸収線量分布）が予め正確に評価される。このような吸収線量分布の評価を行うために水ファントム型吸収線量分布測定装置（水ファントムシステム）が使用されている。

外部放射線療法における吸収線量分布の測定は、多くの場合、鉛直下向きに照射された放射線ビームの強度を、水ファントム中の放射線ビームに垂直な面内及び／又は放射線ビーム軸上に設定された所定の複数の測定点で測定することにより行われる。このとき、吸収線量の測定点は、放射線ヘッドから放射される放射線ビームの放射線場を表現する基準座標系に対して正確に位置決めされる必要がある。そのため、吸収線量の測定を行う際には、予め水ファントムシステムの座標軸（具体的にはスキャナの走査軸）を放射線場の基準座標軸と正確に一致させるアライメント調整が手作業で行われていた。

放射線治療技術の標準（保科正夫編 日本放射線技師会出版会）２４２−２４４頁

しかしながら、通常はスキャナの座標系と放射線場の基準座標系とは、原点の位置ずれのみならず、対応する軸同士の角度ずれ（傾き）も含んでいる。このため、一つの軸について誤差を修正すると、この修正のために既に修正した他の軸方向に誤差が発生してしまうという問題がある。したがって、各軸の修正を何度も繰り返して行い、少しずつ誤差を小さくしていかなければならなかった。また、アライメント調整は、放射線検出器に十字の指標線が印されたアライメント調整用キャップを装着し、この指標線を目標にして目視による調整が行われていた。このため、不確実な調整が何度も繰り返されて、アライメント作業に膨大な時間がかかるといった問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、従来のような手間のかかるスキャナのアライメント作業を簡略化することのできる走査方法、走査プログラム、３次元スキャナ及び水ファントム型吸収線量分布測定装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態によれば、放射線検出器を装着した３次元スキャナを走査して放射線場の放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定方法であって、放射線場を表現する基準座標系の座標軸を示す指標を検出するアライメント測定ユニットを３次元スキャナに装着した状態で３次元スキャナを所定の軌道上で走査しながら指標の位置を検出する指標検出ステップと、検出した指標の３次元スキャナの走査座標系における位置に基づいて、基準座標系の座標を走査座標系の座標に変換する変換式を生成する変換式生成ステップと、基準座標系により記述された３次元スキャナの移動目標を取得する移動目標取得ステップと、変換式に従って取得した移動目標を走査座標系により記述された移動目標に変換する移動目標変換ステップと、放射線検出器を３次元スキャナに装着した状態で変換した移動目標に従って３次元スキャナを走査しながら放射線強度分布を測定する放射線測定ステップとを含む放射線強度分布測定方法が提供される。

典型的には、上記の移動目標は、移動先の目標座標、又は目標移動量を示すベクトルである。

上記のような放射線強度分布測定方法を採用することにより、基準座標系に対して３次元スキャナの走査軸を精確に配置するためのアライメント作業が不要になり、アライメント作業に要していた時間が削減される。また、従来はオペレータにより手動で繰り返し行われていたアライメント測定が、１回の自動測定のみで完了するため、アライメント測定に要する時間が大幅に削減される。

また、本発明の実施形態によれば、上記の放射線強度分布測定方法を用いて治療用放射線の吸収線量分布を測定する方法であって、放射線強度分布測定方法は、３次元スキャナが放射線を吸収する水が貯えられた水ファントム中に配置された状態で行われ、指標検出ステップは、３次元スキャナを走査しながら、アライメント測定ユニットが備える光検出器により基準座標系を示す光学的指標を検出するステップと、複数の所定位置において、アライメント測定ユニットが備える水深計により３次元スキャナの水深を測定するステップとを含み、変換式生成ステップにおいて、光学的指標が検出された位置及び複数の所定位置において測定された水深に基づいて変換式が生成される吸収線量分布測定方法が提供される。

この構成により、アライメント作業を効率化しつつも、従来の方法で正しくアライメントされたスキャナと同じ位置確度でスキャナを走査させることが可能になる。更に、従来オペレータの視覚に頼っていたアライメント測定を、各種検出器を使用して一定の基準に従って自動的に行うことにより、オペレータの個人差を排除して、高い精度でアライメントに関する情報を取得することができ、スキャナの位置精度が向上し、延いては線量分布の測定精度が大幅に向上する。

また、典型的には、上記の光学的指標は、放射線治療装置が放射線場に重ねて放射する光照射野に与えられた光強度の空間分布の変調である。この構成により、指標の位置を正確かつ高速に検出することが可能になる。また、このような光学的指標（例えばクロスヘア）はリニアック等の多くの放射線治療装置に搭載されており、本構成を汎用的に適用することができる。

また、本発明の実施形態によれば、コンピュータを制御して、上記方法の各ステップを実行させるコンピュータプログラムが提供される。

また、本発明の実施形態によれば、放射線場の放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定装置であって、放射線の強度を検出する放射線検出器と、放射線検出器を装着して、該放射線検出器を３次元走査可能な３次元スキャナと、放射線場を表現する基準座標系の座標軸を示す指標を検出する指標検出部と、指標が検出されたときの３次元スキャナの走査座標系における位置に基づいて、基準座標系の座標を走査座標系の座標に変換する変換式を生成する変換式生成部と、基準座標系により記述された３次元スキャナの移動目標を取得する移動目標取得部と、変換式に従って取得した移動目標を走査座標系により記述された移動目標に変換する移動目標変換部と、放射線検出器を３次元スキャナに装着した状態で変換した移動目標に従って３次元スキャナを走査しながら放射線ビームの放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定部とを含み、指標検出部は、３次元スキャナに装着可能なアライメント測定ユニットを備え、３次元スキャナにアライメント測定ユニットを装着した状態で３次元スキャナを所定の軌道上で走査しながら指標の位置を検出する放射線強度分布測定装置が提供される。

また、上記の放射線強度分布測定装置を備えた、治療用放射線の吸収線量分布を測定する装置であって、放射線を吸収する水が貯えられた水ファントムを備え、３次元スキャナは該水ファントム内に配置され、アライメント測定ユニットは、基準座標系を示す光学的指標を検出する光検出器と、３次元スキャナの水深を測定する水深計とを備え、指標検出部は、３次元スキャナを走査しながら光検出器により基準座標系を示す光学的指標を検出し、複数の所定位置において水深計により３次元スキャナの水深を測定し、変換式生成部は、光学的指標が検出された位置及び複数の所定位置において測定された水深に基づいて変換式を生成する水ファントム型吸収線量分布測定装置が提供される。

また、３次元スキャナは、放射線検出器及びアライメント測定モジュールを着脱自在に装着可能であり、指標検出部は、放射線検出器に代えてアライメント測定モジュールが装着された状態で指標を検出するように構成されていることが望ましい。この構成によれば、この場合、アライメント測定においては放射線検出器に代えてアライメント測定モジュールが装着される。アライメント測定モジュールをこのように構成すると、放射線検出器を着脱自在に装着できる既存の３次元スキャナのキャリアに、キャリアを改造せずにアライメント測定モジュールを装着することができる。

光検出手段は、光ファイバからなる受光端面を有していることが望ましい。受光面積が狭く、受光角度が狭い光ファイバの端面を受光面とすることにより、光学的指標の位置を高い分解能で検出することができ、光学的指標以外の背景光によるノイズの影響を低減して検出確度が向上する。

本発明により、スキャナのアライメント作業を簡略化し、短時間でスキャナを所定方向に正確に走査させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る水ファントムシステムによりリニアックの吸収線量分布を測定する様子を示す図である。 リニアックの基準座標系を示す図である。 本発明の実施形態に係る水ファントムシステムの主要部を拡大した模式図である。 本発明の実施形態に係る水ファントムシステムの概略構成を示すブロック図である。 放射線検出器が装着されたスキャナの概略構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るアライメント測定モジュールが装着された本発明の実施形態に係るスキャナの概略構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るアライメント測定モジュールの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るアライメント測定モジュールをＺＸ平面で切断した縦断面図である。 アライメント補正走査を説明する図である。 アライメント補正走査を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る走査装置が組み込まれた水ファントムシステム（水ファントム型吸収線量分布測定装置）１によりリニアック２の吸収線量分布を測定する様子を示した図である。

リニアック２は、主に悪性腫瘍の放射線治療に使用される医療用直線加速器であり、治療のために人体に照射する高エネルギーＸ線又は電子線のビームを発生する。放射線治療においては、治療計画によって決定された照射位置に正確に放射線を照射する必要がある。しかしながら、放射線は不可視であるため、目視で放射線照射野を確認しながら、放射線照射野を照射すべき位置に正確に位置決めすることができない。そのため、リニアック２の放射線ヘッド２４は、放射線照射野をシミュレートした光照射野を投影する可視光源を備え、光照射野を目視で確認しながら放射線照射野を位置決めすることができる。光照射野には直交する十字の影（クロスヘア）が与えられる。クロスヘアはリニアック２の放射線場の基準座標系（Ｘ_ｃ，Ｙ_ｃ，Ｚ_ｃ）を示す指標であり、クロスヘアを使用して放射線場の評価及び照射位置の決定を行うことにより、標的部位へ正確に必要な線量の放射線を照射することができる。

本実施形態においては、線量分布測定を行う際のリニアック２の放射線場は、図２に示すように、基準座標系（Ｘ_ｃ，Ｙ_ｃ，Ｚ_ｃ）により記述される。Ｙ_ｃ軸は水平方向に定められたガントリ２２の回転軸（水平回転軸）であり、Ｘ_ｃ軸はＹ_ｃ軸と直交する水平軸として定義される。また、Ｚ_ｃ軸は、放射線源（Ｘ線ターゲット２４ａ）の中心を通る基準軸であり、Ｘ_ｃ軸及びＹ_ｃ軸と直交する。また、リニアック２は、放射線ビーム軸がＺ_ｃ軸と許容差内で一致するように調整されている。なお、ガントリ２２の回転により放射線場の座標系（Ｘ_ｃ，Ｙ_ｃ，Ｚ_ｃ）もＹ_ｃ軸の周りに回転するが、線量分布測定時にはガントリ２２の回転が初期位置に戻されるため、Ｚ_ｃ軸は鉛直軸となる。Ｘ_ｃ軸、Ｙ_ｃ軸及びＺ_ｃ軸の交点、すなわち放射線場の基準座標の原点をアイソセンタという。光照射野は、クロスヘアの交点が常にアイソセンタを通るＺ_ｃ上に位置し、アイソセンタを通る水平面上に光照射野を投影させたときにクロスヘアの一方の直線がガントリ２２の水平回転軸と一致するように調整されている。

水ファントムシステム１は、水ファントムに放射線ビームを照射したときに水ファントムに貯えられた水によって吸収される線量の３次元分布を測定する装置であり、リニアック２によって照射される放射線ビームの特性評価に使用される。水ファントムシステム１は、図３に示すように、アクリル樹脂製の直方体の水槽である水ファントム２００、水ファントム２００の内部に配置されたスキャナ（３次元走査器）３００、放射線検出器Ｄ（図５）、アライメント測定モジュール４００及び制御部５００（図４）を有している。スキャナ３００は３次元の移動が可能なキャリア３４０を有しており、放射線検出器Ｄとアライメント測定モジュール４００の一方がキャリア３４０に装着される。測定時には、水ファントム２００には所定の水深まで水が貯えられる。制御部５００は、水ファントムシステム１の制御に必要な各種のインタフェース及びプログラムが実装されたワークステーションであり、スキャナ３００、放射線検出器Ｄ、アライメント測定モジュール４００のそれぞれと、有線又は無線の各種通信リンクによって接続されている。

図４は、水ファントムシステム１の構成を示すブロック図である。制御部５００は、制御部全体の動作を統制するＣＰＵ５１０、スキャナ３００と接続して通信を行うスキャナ・インタフェース５２０、アライメント測定モジュール４００から光ファイバ４４４により伝送される光照射野の光を受光して受光強度を示す信号を生成する受光部５３０、信号線４４２を介してアライメント測定モジュール４００のＣＣＤカメラ４３８から供給された映像信号に画像処理を施して生成したビデオ信号をディスプレイ６００に出力する映像信号処理部５４０、ＣＰＵ５１０が実行する各種プログラムが記録された記憶装置５５０、及びキーボード等のユーザ入力装置を接続するためのユーザ入力インタフェース５６０を備えている。スキャナ・インタフェース５２０、受光部５３０、映像信号処理部５４０、記憶装置５５０、及びユーザ入力インタフェース５６０の各部は、ＣＰＵ５１０に接続されており、ＣＰＵ５１０との間でデータの入力及び／又は出力を行う。なお、後述する線量分布測定プログラム５５２も記憶装置５５０に記憶されており、ＣＰＵ５１０に読み出されて、実行される。

制御部５００は、スキャナ３００を制御して、水ファントム２００内に設定される所定の軌道で放射線検出器Ｄを走査させ、放射線検出器Ｄが出力する信号が示す放射線強度とその放射線強度が検出された時の放射線検出器Ｄの位置に基づいて３次元の放射線強度分布を生成し、この放射線強度分布に基づいて水吸収線量分布を計算して、その計算結果をディスプレイ６００等の出力装置に出力する。なお、放射線検出器Ｄには、例えば半導体検出器や電離箱等の任意の種類の放射線検出器を採用することができる。

次に、図５及び図６を参照して、スキャナ３００の構成を詳しく説明する。図５は、線量分布測定の際のセットアップを示し、キャリア３４０に放射線検出器Ｄが装着されている。図６は、線量分布測定の前に行われる放射線場の基準座標系に対する水ファントムシステム１のアライメント測定の際のセットアップを示し、放射線検出器Ｄに代えてアライメント測定モジュール４００がキャリア３４０に装着されている。なお、キャリア３４０は、放射線検出器Ｄ及びアライメント測定モジュール４００を着脱自在に装着できるように構成された検出器装着機構（不図示）を有している。なお、検出器装着機構は、放射線検出器Ｄ及びアライメント測定モジュール４００に設けられているアルミニウム丸棒等からなる取り付け部を着脱自在に把持固定する周知のクランプ機構である。

スキャナ３００は、キャリア３４０、Ｘ軸ガイド３１０、Ｙ軸ガイド３２０及びＺ軸ガイド３３０から構成される。Ｘ軸ガイド３１０、Ｙ軸ガイド３２０及びＺ軸ガイド３３０は、それぞれ直線状のガイド溝、ガイド溝に沿って配置されたボールねじ（不図示）及びボールねじを駆動するモータ（不図示）を有する長尺部材であり、それぞれの長手方向を互いに直交する３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向）へ向けて配置されている。また、キャリア３４０の下面にはＹ軸ガイド３２０に設けられたボールネジと係合するナット（不図示）が設けられ、ボールネジの駆動によりＹ軸方向へ移動可能にＹ軸ガイド３２０に連結されている。同様に、Ｙ軸ガイド３２０及びＺ軸ガイド３３０の一端には、Ｚ軸ガイド３３０及びＸ軸ガイド３１０にそれぞれ設けられたボールねじと係合するナット（不図示）が設けられており、Ｚ軸ガイド３３０はＸ軸方向へ移動可能にＸ軸ガイド３１０に連結され、Ｙ軸ガイド３２０はＺ軸方向へ移動可能にＺ軸ガイド３３０に連結されている。Ｘ軸ガイド３１０は水ファントム２００の縁部に固定される。上記の構成により、スキャナ３００は、キャリア３４０に装着される放射線検出器Ｄまたはアライメント測定モジュール４００を、水ファントム２００内で３次元走査することが可能になっている。

なお、以下の説明において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、それぞれＸ軸ガイド３１０、Ｙ軸ガイド３２０及びＺ軸ガイド３３０のガイド溝の方向（すなわち、Ｘ軸ガイド３１０、Ｙ軸ガイド３２０及びＺ軸ガイド３３０に対する、Ｚ軸ガイド３３０、キャリア３４０及びＹ軸ガイド３２０の移動方向）を示す座標軸として定義される。

次に、本発明の実施形態に係るアライメント測定モジュール４００の構成を説明する。図７はアライメント測定モジュール４００の外観を示す斜視図であり、図８はアライメント測定モジュール４００をＺＸ平面で切断した縦断面図である。上述のように、アライメント測定モジュール４００は、放射線場の基準座標系（すなわちリニアック２の放射線ヘッドの座標系）に対する水ファントムシステム１の座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のアライメントを測定するために使用される。

ここで、図２に示されるように、線量分布測定時のリニアック２の放射線場の基準座標系は、鉛直軸（Ｚ_ｃ軸）と、水平面上に投影される光照射野に浮き出るクロスヘア（十字線）が示す水平方向の２軸（Ｘ_ｃ軸、Ｙ_ｃ軸）によって定義される。アライメント測定モジュール４００は、アライメント測定モジュール４００の基準点（後述）における水深を計測するフロート式の水深計と、上方から基準点に照射される光線（すなわち光照射野の光線）を高い位置分解能と指向性で光ファイバ４４４に結合させる光ファイバ受光端面４４４ｅを有しており、アライメント測定モジュール４００を３次元に走査させながら基準点における水深及び光照射野の強度を測定することにより、水ファントムシステム１の座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に対するリニアック２の座標系（鉛直方向Ｚ_ｃ軸及びクロスヘア方向Ｘ_ｃ軸、Ｙ_ｃ軸）を決定する。なお、アライメント測定モジュール４００の基準点とは、アライメント測定モジュール４００の代わりに放射線検出器Ｄをスキャナ３００のキャリア３４０に装着したときに、放射線検出器Ｄの放射線感受部の中心が配置される点である。すなわち、アライメント測定モジュール４００の基準点をクロスヘアの交点に合わせた状態でアライメント測定モジュール４００を放射線検出器Ｄと交換すると、放射線検出器Ｄの放射線感受部の中心がクロスヘアの交点に合致し、放射線ビームの中心の放射線強度が検出される。なお、アライメント測定モジュール４００によって計測される水深は、水ファントムシステム１の座標系（以下「スキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）」という。）における、水面に対するＺ軸方向の相対位置として与えられる。

アライメント測定モジュール４００は、浮動子４１０、水路部４２０、計測部４３０及びケーブル４４０から構成される。浮動子４１０は、直方体の浮きである。具体的には、浮動子４１０はアクリル板から形成された本体ケース４１２により内部空間が密封された中空構造を有し、常に一定の深さだけ水中に沈むようになっている。また、本体ケース４１２の各側面の四隅には、三角錐状の突起４１６が設けられている。更に、本体ケース４１２の一側面（観察面４１２ｓ）の略中央には円形のマーク４１４が設けられている。

水路部４２０は、矩形の断面形状を有する筒状のケース４２２と、ケース４２２の一側面の下端に設けられたアルミニウム丸棒である取り付け部４２６から構成される。取り付け部４２６はキャリア３４０に装着される円柱状の放射線検出器Ｄの本体と同じ外径を有しており、キャリア３４０に設けられた検出器装着機構（不図示）によって把持される。このとき、ケース４２２は、筒の中心軸を略鉛直方向となるＺ軸方向に向けて配置される。ケース４２２の水平断面の内寸は浮動子４１０の外寸よりも僅かに大きく、浮動子４１０がケース４２２の筒内に収容されてＺ軸方向に自由に移動できるようになっている。浮動子４１０の各側面に設けられた突起４１６は、浮動子４１０の各外側面をケース４２２の内側面から離隔させることにより、水の表面張力により浮動子４１０の外側面がケース４２２の内側面に密着して、Ｚ軸方向の自由な移動が妨げられることを防いでいる。また、取り付け部４２６が設けられたケース４２２の外側面の上部中央には、矩形の開口４２２ｏが形成されている。開口４２２ｏは浮動子のマーク４１４を外部（計測部４３０）から観察するためのものであり、開口４２２ｏのＺ軸方向の位置及び大きさは、浮動子４１０が計測中に想定される範囲で移動したときにマーク４１４が常に開口４２２ｏを介して外部から観察できるように設定されている。

計測部４３０は、縦長に配置された略箱形のケース４３２と、ケース４３２の内部に収容されたＣＣＤカメラ４３８及びミラー４３６を有している。ＣＣＤカメラ４３８は、レンズ面を下に向けて、ケース４３２内の上部空間に配置されている。ケース４３２の水路部４２０と対向する側面の下部には、矩形の開口４３２ｏが形成され、開口４３２ｏはアクリル板等の透明な板材からなる窓４３２ｗによって塞がれている。ミラー４３６はＣＣＤカメラ４３８のレンズの光軸に対して４５度傾けて配置されており、開口４３２ｏがＣＣＤカメラ４３８で撮像されるようになっている。なお、ＣＣＤカメラ４３８で撮像された画像の略中央に、開口４３２ｏの中央が写るようになっている。また、開口４３２ｏは水路部の開口４２２ｏと同寸に形成されており、計測部のケース４３２と水路部のケース４２２は開口の位置を合わせて互いに接合されている。

以上の構成により、浮動子４１０のマーク４１４が窓４３２ｗを介してＣＣＤカメラ４３８によって撮影される。したがって、ＣＣＤカメラ４３８が出力する画像には、浮動子４１０のマーク４１４及びケース４３２の窓４３２ｗの輪郭が映し出される。ＣＣＤカメラ４３８が出力する画像信号は、信号線４４２を介して制御部５００に送信される。制御部５００は周知の画像処理を行い、画像上のマーク４１４と窓４３２ｗの輪郭の位置関係から、基準点の水深を計算する。また、本実施形態においては、アライメント測定モジュール４００の基準点が水面に位置するときにマーク４１４の中心が窓４３２ｗの中心と重なるようにマーク４１４が配置されている。したがって、マーク４１４の中心と窓４３２ｗの中心とのＺ軸方向の間隔は、アライメント測定モジュール４００の基準点（放射線検出器が装着されたときに感受部が配置される位置）の水深を示す。なお、浮動子４１０のマーク４１４の中心が計測部の窓４３２ｗの中心よりも上方にあるときに基準点は水面下にあり（すなわちＺ_ｃ座標は負）、下方にあるときに基準点は水面上にある（すなわちＺ_ｃ座標は正）。

また、水路部４２０と反対側に位置する計測部ケース４３２の側壁（図８において右側の壁面）は、下方に延長し、下端に水平方向外側に突出する縁部４３２ｒが形成されている。縁部４３２ｒの中央にはＺ軸方向に延びる貫通穴４３２ｈが形成され、貫通孔にはフェルール４３４が差し込まれて固定されている。フェルール４３４には貫通孔が形成されており、この貫通孔には光ファイバ４４４が通され接着固定されている。フェルール４３４の上端面は、光ファイバ４４４の接着固定後に光ファイバ４４４ごと鏡面研磨され、フェルール４３４の上端面内に光ファイバ受光端面４４４ｅが形成されている。また、フェルール４３４の上端面は、縁部４３２ｒの上面と同じ高さに揃えられ、光ファイバ受光端面４４４ｅが基準点に位置するようになっている。光ファイバ受光端面４４４ｅに上方から照射される光照射野の光が光ファイバ４４４に結合して、伝送される。

光ファイバ４４４は、ＣＣＤカメラ４３８の信号線４４２と共に束ねられてケーブル４４０を構成して制御部５００まで配線され、制御部５００の受光部（不図示）に接続される。受光部はフォトダイオード等の受光素子を有し、光ファイバ４４４から受光した光強度を示す信号を出力する。ところで、光照射野は略一様な強度分布を有しているが、クロスヘアにおいては光強度が著しく低くなる。アライメント測定モジュール４００をスキャンさせながら光強度を連続的に計測すると、クロスヘアを横断する際に光強度が局所的に顕著に低下する区間が生じる。制御部５００は、所定の閾値以下に光強度が低下した区間の中心をクロスヘアの位置と判定する。

なお、浮動子４１０及び各ケース４２２、４３２の材質や形状は特に限定されないが、変形によって測定精度が低下しない程度に十分に高い剛性が得られるように決定される。また、室内照明を使用して浮動子４１０のマーク４１４の輪郭をＣＣＤカメラ４３８によってコントラスト良く撮像するためには、マーク４１４を背後からのみ照明することが望ましい。そのため、浮動子４１０には光透過性を有する材質を使用し、各ケース４２２、４３２には遮光性の高い材質を使用することが望ましい。また、水路部４２０又は計測部４３０に浮動子４１０のマークを照明するためのＬＥＤランプ等の光源を設けてもよい。

次に、水ファントムシステム１を使用した線量分布測定について説明する。
（水ファントムの設置）
最初に、水ファントム２００の設置及び粗い位置決めがオペレータによって手動で行われる。オペレータは、まずリニアック２の光照射野を点灯させ、水ファントム２００を光照射野へ移動する。なお、水ファントム２００の底面には、Ｘ軸及びＹ軸を示す直交線が印されており、この直交線がクロスヘアと略一致するように水ファントム２００の水平方向の位置及び向きを合わせる。そして、水ファントム２００の水面が静止するのを待って、テーブル１００の調整手段を使用して、クロスヘア近傍の水面の高さを測定法等により定められた所定の高さ（例えばガントリ２２のフレームから水面までの距離）に合わせる。水面の高さの調整は、例えば水面に投影されたクロスヘアの交点からリニアック２の基準点（例えばＸ線ターゲット２４ａ）までの距離を映し出す投光型距離計を使用して行うことができる。また、アイソセンタとＸ線ターゲット２４ａの距離は装置の機種毎に定められているため、アイソセンタを通る水平なレーザ光線を放射する光学指示器（レーザポインタ）と、鉛直方向に配置した定規を使用して行うこともできる。なお、一般に投光型距離計はリニアック２の放射線ヘッド２４に内蔵され、光学指示器はリニアック２が設置される部屋の壁面等に取り付けられる。

なお、スキャナは、線量分布測定プログラム５５２の終了時に初期位置（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｚ＝０）に復帰するように設定されており、このときキャリア３４０は原点に位置している。本実施形態において、スキャナ３００の初期位置は、キャリア３４０に放射線検出器Ｄを装着して原点に移動させたときに、放射線検出器Ｄの幾何学的中心が略水面の中心に位置するように設定されている。なお、初期位置（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｚ＝０）は任意に設定することができる。

（アライメント補正走査）
次に、水ファントムシステム１により実行されるアライメント補正走査を用いた線量分布測定について詳しく説明する。

上述したように、線量分布測定は放射線場の基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）に基づいて正確に行う必要がある。従来は、測定前にスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を正確に基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）と一致させるアライメント作業を手動で行なった上で、放射線場の基準座標系において移動すべき量をそのままスキャナ３００の移動量として用いることで、放射線場の基準座標系に従った線量分布測定が行われていた。以下に説明する本発明の実施形態に係るアライメント補正走査では、放射線場の基準座標系に対するスキャナ座標系の正確なアライメント作業を行う必要はなく、両座標系間のミスアライメントに応じてスキャナ３００の移動量を補正することにより、放射線場の基準座標系に基づいてスキャナ３００を正確に走査させることができる。アライメント補正走査は、放射線場の基準座標系とスキャナ座標系との関係の測定（補正式の決定に必要な情報の取得）を行って測定結果に応じたスキャナ３００の座標値・移動量の補正式を決定する補正式決定処理と、決定した補正式に従って実際にスキャナ３００を移動すべき量を計算してスキャナ３００を走査する自動補正走査処理に大別することができる。

なお、線量分布測定は、制御部が線量分布測定プログラム５５２に従ってスキャナ３００、アライメント測定モジュール４００及び放射線検出器Ｄと連携動作することにより実行される。以下、線量分布測定プログラム５５２によって実行される処理について詳細に説明する。

補正式決定処理は、放射線場の基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）の座標をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の座標に変換する一次変換を表現する行列を決定する処理である。具体的には、水ファントムシステム１による基準座標系の測定、すなわちスキャナ３００を走査しながらアライメント測定モジュール４００を使用した光照射野（直接的にはクロスヘア）及び水深（クロスヘアの交点が位置する水面からのＺ軸方向の距離）の測定を行い、その計測結果に基づいて基準座標系をスキャナ座標により表現する数式（行列）を求めることにより、その逆行列として基準座標系の座標をスキャナ座標系の座標に変換する行列が求められる。

次に、水ファントムシステム１による基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）を測定する方法について説明する。本実施形態では、アライメント測定モジュール４００による水深計測が可能な範囲で、ＸＹ平面に平行な２つ以上の平面（Ｚ＝ｚ_ｋ；１≦ｋ≦ｎ）で走査を行う。図９は、アライメント測定の走査を行う平面を示す図である。なお、図９には１番目（ｋ＝１）とｎ番目（ｋ＝ｎ）の平面のみが示されている。また、以下の説明において、Ｘ軸及びＹ軸をｋ番目の平面（Ｚ＝ｚ_ｋ）上に投影した軸をそれぞれＸ_ｋ軸及びＹ_ｋ軸と呼ぶ。ｋ番目の平面（Ｚ＝ｚ_ｋ）におけるスキャナ座標系の座標軸（Ｘ_ｋ軸、Ｙ_ｋ軸）及びクロスヘアの各ヘアライン（ＨＬ_ｘ、ＨＬ_ｙ）の一例を図１０に示す。

本実施形態では、各平面（Ｚ＝ｚ_ｋ）において、Ｘ_ｋ軸及びＹ_ｋ軸とそれぞれ平行な辺を有する、Ｚ軸を中心とした四角形（例えば正方形）Ｐ_ｋＱ_ｋＲ_ｋＳ_ｋの軌道（破線）上にアライメント測定モジュール４００を走査させながら、水深及び光照射野の光量を計測する。具体的には、光照射野の光量を計測しながら四角形軌道Ｐ_ｋＱ_ｋＲ_ｋＳ_ｋ上にアライメント測定モジュール４００を走査し、四角形軌道の各頂点Ｐ_ｋ（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）、Ｑ_ｋ（−ｘ_ｍ，ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）、Ｒ_ｋ（−ｘ_ｍ，−ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）、Ｓ_ｋ（ｘ_ｍ，−ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）及び、四角形軌道が各ヘアラインと交差する点Ａ_ｋ（ｘ_ｍ，ｙ_Ａｋ，ｚ_ｋ）、Ｂ_ｋ（ｘ_Ｂｋ，Ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）、Ｃ_ｋ（−ｘ_ｍ，ｙ_Ｃｋ，ｚ_ｋ）、Ｄ_ｋ（ｘ_Ｄｋ，−ｙ_ｍ，ｚ_ｋ）において水深を測定して、各位置におけるスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の座標と関連付けて記憶装置（不図示）に記憶する。このような走査及び測定を各平面（Ｚ＝ｚ_１〜ｚ_ｎ）について行う。

図１０に示されるように、ヘアラインＨＬ_ｙと軌道区間Ｐ_ｋＱ_ｋ及び軌道区間Ｒ_ｋＳ_ｋとの各交点Ｂ_ｋ及びＤ_ｋを結ぶ直線Ｂ_ｋＤ_ｋと、ヘアラインＨＬ_ｘと軌道区間Ｓ_ｋＰ_ｋ及び軌道区間Ｑ_ｋＲ_ｋとの各交点Ａ_ｋ及びＣ_ｋを結ぶ直線Ａ_ｋＣ_ｋとの交点Ｅ_ｋとして、ヘアラインＨＬ_ｘの交点Ｅ_ｋ（ｘ_０ｋ，ｙ_０ｋ，ｚ_ｋ）が求められる。上述のように、ヘアラインＨＬ_ｘの交点Ｅ_ｋは基準座標系のＺ_ｃ軸が通るように設定されているため、異なる２つの平面において求めた交点Ｅ_ｋを結ぶ直線は基準座標系のＺ_ｃ軸となる。このようにして、基準座標系のＺ_ｃ軸をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）により表現する式が得られる。なお、３つ以上の平面において取得した交点Ｅ_ｋの座標を使用する場合は、最小二乗法によりＺ_ｃ軸を表現する関数を求めることが望ましい。

また、水深を測定した各点の座標に水深（Ｚ軸成分）を加算した座標は、水面上（Ｚ_ｃ＝０）の座標となる。従って、水深を測定した少なくとも３点における座標及び水深から、水面すなわちＸ_ｃＹ_ｃ平面をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）により表現する式が得られる。更に、Ｚ_ｃ軸を表現する式とＸ_ｃＹ_ｃ平面を表現する式より、その交点である基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）の原点をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表した座標が得られる。この座標は、スキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）に変換する際の原点の並進移動を与える。更に、Ｘ_ｃＹ_ｃ平面にヘアラインＨＬ_x及びＨＬ_ｙを投影した直線として、Ｘ_ｃ軸及びＹ_ｃ軸をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表現する式が得られる。以上のようにして得られた基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）の各軸をスキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）でそれぞれ表現する式より、スキャナ座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を基準座標系（Ｘ_ｃ、Ｙ_ｃ、Ｚ_ｃ）に変換する際の、各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）回りの回転移動の角度（θ、φ、ψ）を得ることができる。

なお、基準座標系とスキャナ座標系は共に直交座標系であるため、スキャナ座標系から基準座標系への変換は、原点の並進移動と各軸回りの回転移動に分解することができる。このような座標変換を与える行列は同次行列として知られている。このようにして求められたスキャナ座標系から基準座標系への変換を表現する行列の逆行列として、基準座標系の座標をスキャナ座標系の座標に変換する行列が得られる。以上が補正式決定処理の説明である。

次に、上記の補正式決定処理において取得した補正式（行列）を使用して、実際にスキャナ３００を移動すべき量を計算してスキャナ３００を走査する自動補正走査処理について説明する。上述のように、外部放射線療法における吸収線量分布の測定は、放射線場の基準座標系で定められる所定の軌道上にスキャナ３００を走査させて行う必要がある。そのため、補正式決定処理においては、基準座標系で与えられるスキャナ３００の移動先の位置又は移動量を、上記の補正式決定処理において決定された補正式により、スキャナ座標系における位置又は移動量に変換して、変換した位置又は移動量に従ってスキャナ３００を走査させる。これにより、放射線場の基準座標系で定められた所定の軌道上にスキャナ３００を正確に走査することができる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態の構成は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。

上記に説明した実施形態は、治療用放射線ビームの吸収線量分布を測定するための水ファントム型吸収線量分布測定装置に関するものであるが、本発明を適用可能な装置はこれに限定されない。例えば、本発明は産業用等の任意の用途の放射線照射装置が放射する放射線の強度分布を測定するための放射線強度分布測定装置に適用することもできる。

また、本実施形態のスキャナ３００は水ファントム２００に着脱自在なものであるが、スキャナ３００と水ファントム２００とを一体に形成してもよい。水ファントム２００に対するスキャナ３００の固定の緩みによって測定精度が著しく低下する場合があるため、実質的に着脱不能となるように強固に固定することにより、このような測定精度の低下が抑制される。また、上記の実施形態においては、放射線検出器Ｄ及びアライメント測定モジュール４００がスキャナ３００のキャリア３４０に対して着脱自在に構成されているが、放射線検出器Ｄがキャリア３４０に固定された状態でアライメント測定モジュール４００が着脱自在となるようにしてもよい。放射線検出器Ｄ等の着脱に伴う装着位置の変動が抑えられるため、測定精度を高めることができる。

また、上記の実施形態のスキャナ３００は上述のようなボールねじ機構によって駆動されるが、例えば駆動ベルト機構、リニアモータ機構など他の駆動機構を使用してもよい。

また、上記の実施形態のアライメント測定モジュール４００においては、光ファイバ４４４を介して光照射野を検出する構成が採用されているが、光ファイバ受光端面４４４ｅの位置に受光素子（フォトダイオード等）を設けて、受光素子により光照射野を直接検出する構成としてもよい。

上記の実施形態では、２つ以上の平面において、四角形軌道Ｐ_ｋＱ_ｋＲ_ｋＳ_ｋの４つの頂点及びクロスヘアとの４つの交点Ａ_ｋ、Ｂ_ｋ、Ｃ_ｋ、Ｄ_ｋでの水深を測定して、これら各点の水深をスキャナ座標系の座標と関連付けて記憶装置に記憶するが、本発明はこの構成に限定されない。水面を決定するためには水面上の少なくとも３点の座標が得られれば良いため、水深の測定も少なくとも３箇所で行えばよい。例えば、一つの平面（例えば平面ｚ＝ｚ１）における四角形軌道Ｐ_ｋＱ_ｋＲ_ｋＳ_ｋと各ヘアラインとの４つの交点Ａ_ｋ、Ｂ_ｋ、Ｃ_ｋ、Ｄ_ｋのうちの任意の３点のみで水深を測定してもよい。

上記の実施形態では、アライメント測定モジュールが鉛直（Ｚ_ｃ軸）方向ではなくＺ軸方向に向けて配置されるため、アライメント測定モジュールによる水深の測定値にはＺ軸とＺ_ｃ軸との角度ずれに応じた一定の誤差が含まれる。この誤差を含む水深の測定値を用いて上記実施形態に従ってＺ_ｃ軸を表す関数（Ｚ軸に対するＺ_ｃ軸の傾き）を一旦求めた後、この傾きにより水深の測定値を補正し、補正した水深の値を用いて基準座標系の座標をスキャナ座標系の座標に変換する行列を計算してもよい。

また、光ファイバ受光端面４４４ｅ（又は受光素子）は、アライメント測定モジュール４００の最上部（例えば、計測部４３０のケース４３２の上面等）に配置してもよい。この場合、光ファイバ受光端面４４４ｅの位置が基準点からＺ軸方向に離れるため、Ｚ軸が鉛直方向に対して傾いている場合にクロスヘア検出位置の誤差が大きくなるが、アライメント測定モジュール４００の筺体によって光照射野が遮られることがなくなるため、光ファイバ受光端面４４４ｅが光照射野を検出できる位置範囲が広くなる。また，クロスヘア検出位置の誤差は，水深の測定値を用いて上記実施形態に従ってＺ_ｃ軸を表す関数（Ｚ軸に対するＺ_ｃ軸の傾き）を一旦求めた後、補正することが可能である。更に、光ファイバ受光端面４４４ｅを常時水面上に位置するように設けてもよい。光ファイバ受光端面４４４ｅが常に水面上で光照射野を受光する構成により、水面での屈折によるクロスヘア検出位置の誤差をなくすことができる。

１ 水ファントムシステム（水ファントム型吸収線量分布測定装置）
２ リニアック（医療用直線加速器）
２２ ガントリ
２４ 放射線ヘッド
２４ａ Ｘ線ターゲット
ＨＬ_ｘ ヘアライン
ＨＬ_ｙ ヘアライン
Ｄ 放射線検出器
１００ テーブル
２００ 水ファントム（水槽）
３００ スキャナ（３次元走査器）
３１０ Ｘ軸ガイド
３２０ Ｙ軸ガイド
３３０ Ｚ軸ガイド
３４０ キャリア
４００ アライメント測定モジュール
４１０ 浮動子
４１２ 本体ケース
４１２ｓ 観察面
４１４ マーク
４１６ 突起
４２０ 水路部
４２２ ケース
４２２ｏ 開口
４２６ 取付け部
４３０ 計測部
４３２ ケース
４３２ｏ 開口
４３２ｗ 窓
４３２ｒ 縁部
４３２ｈ 貫通穴
４３４ フェルール
４３６ ミラー
４３８ ＣＣＤカメラ
４４０ ケーブル
４４２ 信号線
４４４ 光ファイバ
４４４ｅ 光ファイバ受光端面
５００ 制御部
５３０ 受光部
５４０ 映像信号処理部
５５０ 記憶装置
５５２ 線量分布測定プログラム
６００ ディスプレイ

Claims (11)

1. 放射線検出器を装着した３次元スキャナを走査して放射線場の放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定方法であって、
   前記放射線場を表現する基準座標系の座標軸を示す指標を検出するアライメント測定ユニットを前記３次元スキャナに装着した状態で前記３次元スキャナを所定の軌道上で走査しながら前記指標の位置を検出する指標検出ステップと、
   前記検出した指標の前記３次元スキャナの走査座標系における位置に基づいて、前記基準座標系の座標を前記走査座標系の座標に変換する変換式を生成する変換式生成ステップと、
   前記基準座標系により記述された前記３次元スキャナの移動目標を取得する移動目標取得ステップと、
   前記変換式に従って前記取得した移動目標を前記走査座標系により記述された移動目標に変換する移動目標変換ステップと、
   前記放射線検出器を前記３次元スキャナに装着した状態で前記変換した移動目標に従って前記３次元スキャナを走査しながら前記放射線場の放射線強度分布を測定する放射線測定ステップと
   を含むことを特徴とする放射線強度分布測定方法。
2. 前記移動目標は、移動先の目標座標、又は目標移動量を示すベクトルである
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線強度分布測定方法。
3. 請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の放射線強度分布測定方法を用いて治療用放射線の吸収線量分布を測定する方法であって、
   前記放射線強度分布測定方法は、前記３次元スキャナが放射線を吸収する水が貯えられた水ファントム中に配置された状態で行われ、
   前記指標検出ステップは、
   前記３次元スキャナを走査しながら、前記アライメント測定ユニットが備える光検出器により前記基準座標系を示す光学的指標を検出するステップと、
   複数の所定位置において、前記アライメント測定ユニットが備える水深計により前記３次元スキャナの水深を測定するステップと
   を含み、
   前記変換式生成ステップにおいて、前記光学的指標が検出された位置及び前記複数の所定位置において測定された水深に基づいて前記変換式が生成される
   ことを特徴とする吸収線量分布測定方法。
4. 前記光学的指標は、放射線治療装置が前記放射線場に重ねて放射する光照射野に与えられた光強度の空間分布の変調である
   ことを特徴とする請求項３に記載の吸収線量分布測定方法。
5. コンピュータを制御して、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実行させることを特徴とするプログラム。
6. 放射線場の放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定装置であって、
   放射線の強度を検出する放射線検出器と、
   前記放射線検出器を装着して、該放射線検出器を３次元走査可能な３次元スキャナと、
   前記放射線場を表現する基準座標系の座標軸を示す指標を検出する指標検出部と、
   前記指標が検出されたときの前記３次元スキャナの走査座標系における位置に基づいて、前記基準座標系の座標を前記走査座標系の座標に変換する変換式を生成する変換式生成部と、
   前記基準座標系により記述された前記３次元スキャナの移動目標を取得する移動目標取得部と、
   前記変換式に従って前記取得した移動目標を前記走査座標系により記述された移動目標に変換する移動目標変換部と、
   前記放射線検出器を前記３次元スキャナに装着した状態で前記変換した移動目標に従って前記３次元スキャナを走査しながら前記放射線場の放射線強度分布を測定する放射線強度分布測定部と
   を含み、
   前記指標検出部は、前記３次元スキャナに装着可能なアライメント測定ユニットを備え、
   前記３次元スキャナに前記アライメント測定ユニットを装着した状態で前記３次元スキャナを所定の軌道上で走査しながら前記指標の位置を検出する
   ことを特徴とする放射線強度分布測定装置。
7. 前記移動目標は、移動先の目標座標、又は目標移動量を示すベクトルである
   ことを特徴とする請求項６に記載の放射線強度分布測定装置。
8. 請求項６又は請求項７のいずれか一項に記載の放射線強度分布測定装置を備えた、治療用放射線の吸収線量分布を測定する装置であって、
   放射線を吸収する水が貯えられた水ファントムを備え、
   前記３次元スキャナは該水ファントム内に配置され、
   前記アライメント測定ユニットは、
   前記基準座標系を示す光学的指標を検出する光検出器と、
   前記３次元スキャナの水深を測定する水深計と、
   を備え、
   前記指標検出部は、前記３次元スキャナを走査しながら前記光検出器により前記基準座標系を示す光学的指標を検出し、複数の所定位置において前記水深計により前記３次元スキャナの水深を測定し、
   前記変換式生成部は、前記光学的指標が検出された位置及び前記複数の所定位置において測定された水深に基づいて前記変換式を生成する
   ことを特徴とする水ファントム型吸収線量分布測定装置。
9. 前記光学的指標は、放射線治療装置が前記放射線場に重ねて放射する光照射野に与えられた光強度の空間分布の変調である
   ことを特徴とする請求項８に記載の水ファントム型吸収線量分布測定装置。
10. 前記３次元スキャナは、前記放射線検出器及び前記アライメント測定モジュールを着脱自在に装着可能であり、
    前記指標検出部は、前記放射線検出器に代えて前記アライメント測定モジュールが装着された状態で前記指標を検出する
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれか一項に記載の水ファントム型吸収線量分布測定装置。
11. 前記光検出手段は、光ファイバからなる受光端面を有することを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の水ファントム型吸収線量分布測定装置。

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