JP2014054438A - 線量分布測定システムおよびその線量分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で位置分解能の高い線量分布データを測定可能な線量分布測定システムおよびその線量分布測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の線量分布測定システムは、粒子線ビームｂの照射方向に対してファントム１２の上流に設置され粒子線ビームｂの線量を検出する第１の線量検出器１１と、粒子線ビームｂの線量を検出する第２の線量検出器１３と、第２の線量検出器１３を移動させるための駆動機構Ｋと、第２の線量検出器１３の位置を監視する位置監視手段９ｃと、第１・第２の線量検出器１１、１３からの各線量情報および第２の線量検出器１３の位置を示す位置情報が入力される線量計算手段９ｄとを備え、線量計算手段９ｄは、第２の線量検出器１３からの線量情報を第１の線量検出器１１からの線量情報を基に校正し、第２の線量検出器１３の位置情報を用いてファントム１２内の位置に対する粒子線ビームｂの線量分布データを算出している。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の駆動軸に沿って移動する水ファントム内の線量検出器を用いた粒子線の線量分布測定を行う線量分布測定システムおよびその線量分布測定方法に関する。

粒子線照射装置において、円環状の加速器内を高速で移動させ高エネルギまで加速した荷電粒子を物質に照射すると、図８に示すように、荷電粒子(陽子線や重粒子線)は物質内を進みながら徐々にそのエネルギを失い減速し、停止する直前で進行方向の単位長さあたりの放出エネルギが最大となる。このピークは、ブラックピークと称される。図８は、放射線の種類による深部線量百分率曲線を比較した模式図である。

この特性を利用したのが陽子線・重粒子線治療であり、従来の放射線治療で問題となる体表面付近の正常組織への損傷を極力抑えながら、体内深くにある腫瘍であっても大きな線量を与えることを可能としている。
体の正常組織の損傷を抑えつつ腫瘍に大きな線量を与えるには、体内の位置ごとに付与される線量を正確に評価することが重要であり、体内に入射した荷電粒子ビームの線量分布を測定する必要がある。

照射される荷電粒子ビームの体内における線量分布を調べるためには、線量検出器を水中に沈めた水ファントム装置（特許文献１の図３、図４の密閉水槽参照）を使用する。この装置では、複数の駆動軸を有する駆動機構に取り付けられた線量検出器(特許文献１のセンサ４６)を用いて、図９(ａ)に示すように、水ｗの中に沈んだ線量検出器１０１を水ファントム１０２内を移動させ、停止してはビームｂ１０１の照射を行い線量測定を繰り返すことで、三次元の水ファントム１０２の空間内の任意の位置での線量が測定可能である。

なお、図９(ａ)は、水ファントム１０２の水ｗ中で線量検出器１０１を移動させ停止させては線量測定を繰り返す状態を側方から見た図であり、図９(ｂ)は、図９(ａ)の測定方法で測定データを示すグラフであり、横軸に深さ位置をとり、縦軸に線量をとっている。
図９(ａ)では、線量検出器１０１をビームｂ１０１の方向に沿った水ファントム１０２の水ｗの深さが深くなる方向に移動させ、線量測定を行った場合を示している。

特開平１１−６４５３０号公報(図３、図４参照)

しかしながら、特許文献１などの従来の装置と方法で得られる線量分布データは、図９(ｂ)に示すように、三次元位置ごとの不連続な測定データである。上述した如く、図９は、線量検出器１０１をビームｂ１０１の方向に沿った水ファントム１０２の水ｗの深さが深くなる方向に移動させた場合を示している。

そのため、測定点間の線量は、理論計算やシミュレーション計算結果、内挿や最小自乗法、回帰法などのフィッティング等を用いて補間する必要がある。つまり、測定点間の線量が予測となってしまうという欠点がある。

そこで、正確な線量分布データを得るためには、測定点間隔を十分に狭くする必要がある。そのため、水ファントム１０２内で線量検出器１０１の移動と停止での線量測定を繰り返す従来の測定方法では、測定する領域が大きくなるほど膨大な測定時間が費やされるという問題がある。

本発明は、短時間で位置分解能の高い線量分布データを測定可能な線量分布測定システムおよびその線量分布測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するべく、第１の本発明に関わる線量分布測定システムは、照射された粒子線ビームの生体組織を模したファントム内での線量分布を測定するための線量分布測定システムであって、前記粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置され前記粒子線ビームの線量を検出する第１の線量検出器と、前記ファントム内を移動しつつ前記粒子線ビームの線量を検出する第２の線量検出器と、該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、前記第１の線量検出器および前記第２の線量検出器からの各線量情報および前記位置監視手段からの前記第２の線量検出器の位置を示す位置情報が入力される線量計算手段とを備え、前記線量計算手段は、前記第２の線量検出器からの線量情報を前記第１の線量検出器からの線量情報を基に校正し、前記第２の線量検出器の位置情報を用いて前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出している。

第４の本発明に関わる線量分布測定システムの線量分布測定方法は、第１の本発明の線量分布測定システムを実現する方法である。

第１または第４の本発明によれば、ファントム内の位置に対して連続的な粒子線ビームの線量分布データを、高位置分解能でかつ迅速に得られる。

第２の本発明に関わる線量分布測定システムは、照射された粒子線ビームの生体組織を模したファントム内での線量分布を測定するための線量分布測定システムであって、前記粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置され前記粒子線ビームの線量を検出する第１の線量検出器と、前記ファントム内を移動しつつ前記粒子線ビームの線量を検出する第２の線量検出器と、該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、前記第１の線量検出器および前記第２の線量検出器からの各線量を示す出力信号がアナログ信号処理装置を介してデジタル信号とされ受信されるとともに前記位置監視手段からの前記第２の線量検出器の位置を示す信号が受信されるデジタル信号処理計算機とを備え、前記デジタル信号処理計算機は、前記第１および前記第２の線量検出器からの各線量を示す信号を用いて、前記第２の線量検出器からの線量情報を前記第１の線量検出器からの線量情報を基に校正し、前記第２の線量検出器の位置を示す信号を用いて前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出している。

第５の本発明に関わる線量分布測定システムの線量分布測定方法は、第２の本発明の線量分布測定システムを実現する方法である。

第２または第５の本発明によれば、ファントム内の位置に対して連続的な粒子線ビームの線量分布データを、高位置分解能でかつ迅速に得られる。

第３の本発明に関わる線量分布測定システムは、第１または第２の本発明において、前記駆動機構は、前記粒子線ビームの進行方向に沿った第１の方向と、前記粒子線ビームの進行方向に垂直な第２の方向と、前記第１の方向および前記第２の方向に垂直な第３の方向との少なくとも何れかの方向に、前記第２の線量検出器を移動させている。

第６の本発明に関わる線量分布測定システムの線量分布測定方法は、第３の本発明の線量分布測定システムを実現する方法である。

第３または第６の本発明によれば、第２の線量検出器を任意の方向に移動させることが可能である。

本発明に係わる線量分布測定システムおよびその線量分布測定方法によれば、位置分解能の高い線量分布データを短時間で測定可能である。

粒子線照射装置Ｔを用いて患者の腫瘍に粒子線を照射している状態を示す概念図。 実施形態の線量分布測定システムＳの構成を示す斜視図。 線量分布測定装置の水ファントム廻りを拡大して示す拡大斜視図。 線量分布測定制御装置と、固定式の線量検出器、移動式の線量検出器、および駆動機構との信号の授受を示すブロック図。 水ファントム内での移動式の線量検出器を深さ方向に移動しつつある状態を示す図３のＡ方向矢視断面図。 実施形態の線量分布測定システムでの線量分布の測定のシーケンスにおけるデジタル信号処理を示すフロー図。 線量分布測定システムで測定した水ファントム内の水の深さ方向の線量分布を示す図。 放射線の種類による深部線量百分率曲線を比較した模式図。 (ａ)は水ファントムの水中で線量検出器を移動させ停止させては線量測定を繰り返す状態を側方から見た図であり、(ｂ)は(ａ)の測定方法で測定データを示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、粒子線照射装置Ｔを用いて患者の腫瘍に粒子線を照射している状態を示す概念図である。図１では、粒子線照射装置Ｔを上方から見た状態を示している。

本発明の実施形態の線量分布測定システムを適用する粒子線照射装置Ｔは、典型的な粒子線照射装置である。粒子線照射装置Ｔは、電子を除去した陽子、炭素、シリコン、アルゴンなどの荷電粒子を高速に加速して陽子線、重粒子線の粒子線として、スキャニング照射などで照射対象の患部(患者の腫瘍)に所定線量照射する装置である。
なお、炭素、シリコン、アルゴンなどの質量が大きな各イオンは重粒子と呼称される。

粒子線照射装置Ｔは、炭素などの原子から電子を除きイオン(荷電粒子)を供給する入射ビーム輸送ライン２Ａと、該荷電粒子を高エネルギまで加速し粒子線(陽子線、重粒子線)のビームとして周回させるシンクロトロン１と、シンクロトロン１から取り出した粒子線のビームを輸送する出射ビーム輸送ライン２Ｂとを具備している。

なお、実際の粒子線照射装置Ｔには、図１に示す機器に加え、シンクロトロン１の線量を測定するビームプロファイルモニタ、出射ビーム輸送ライン２Ｂの粒子線ビームｂの線量を測定するビームプロファイルモニタなどがあるが、図１では割愛している。

粒子線照射装置Ｔの制御は、図示しない制御手段によって行われる。制御手段は、コンピュータ、各種回路、つまりインターフェース回路、アクチュエータ回路、センサ回路、電源回路などで構成される。

＜入射ビーム輸送ライン２Ａ＞
入射ビーム輸送ライン２Ａは、イオン源２ａと線形加速器２ｂと入射セプタム電磁石２ｃとを有している。
イオン源２ａでは、炭素、シリコン、アルゴンなどの原子から電子の一部を除去し、荷電粒子を創成する。
線形加速器２ｂでは、イオン源２ａで電子の一部が取り除かれた荷電粒子を加速し、炭素の薄膜を通して残りの電子を全部除去する。

入射セプタム電磁石２ｃは、入射ビーム輸送ライン２Ａの上流を通過した入射ビーム(荷電粒子)をシンクロトロン１の周回軌道の向きに磁場に起因する力によって変更する。この際、入射セプタム電磁石２ｃは、入射ビームとシンクロトロン１の周回軌道を周回する蓄積ビームとの間を反磁性体のセプタム板(銅板など)で区切り、シンクロトロン１を周回する蓄積ビームに影響を及ぼさないようにしている。

＜シンクロトロン１＞
シンクロトロン１は、環状に構成され、粒子線のビームに付与する加速高周波電場の周期を粒子回転周期に同期させることにより、陽子や重粒子などの荷電粒子を高エネルギまで加速する。そのため、シンクロトロン１は「加速器」に相当する。

シンクロトロン１は、主要構成機器として、静電インフレクタ３と高周波加速空洞４と偏向電磁石５と四極電磁石６と静電デフレクタ７とを備えている。
静電インフレクタ３は、入射ビーム輸送ライン２Ａから送られるビーム(荷電粒子)を、電場によってシンクロトロン１の周回軌道に偏向させる。
高周波加速空洞４は、シンクロトロン１内の荷電粒子を加速または減速するための高周波電場を発生させる。

具体的には、高周波加速空洞４は、制御手段により、シンクロトロン１内に高周波電力を投入することにより、荷電粒子が加速ギャップ(図示せず)に差し掛かった際に、丁度加速または減速されるように高周波加速空洞４内に発生させる高周波電圧の位相と荷電粒子の位置とを同期させて、荷電粒子にエネルギを供給する。これにより、荷電粒子にエネルギが供給され、荷電粒子の加速または減速が行われる。

偏向電磁石５は、シンクロトロン１内を進む粒子線のビームを周回軌道に保つための磁場を付与する。
四極電磁石６は、磁界の強弱により、シンクロトロン１の周回軌道上における粒子線のビームの広がりを収束させたり、当該ビームの狭まりを発散させる。
静電デフレクタ７は、シンクロトロン１を周回する粒子線のビームを、電場によって外側に蹴りだして出射ビーム輸送ライン２Ｂに向けて出射する。

その他、図示しないが、シンクロトロン１には、ビームのベータトロン振動の三次共鳴を励起し、位相空間上で安定周回領域と共鳴領域を分割・形成するセパラトリクス生成用六極電磁石や、クロマティシティ補正用六極電磁石、周回軌道を進行するビームに水平方向(図１の紙面方向)かつ垂直方向(図１の紙面に垂直方向)にベータトロン振動に共鳴する周波数変調および振幅変調されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して周回軌道を進む粒子線のビームの幅を広げるＲＦ−ＫＯ電極などが設けられる。

＜シンクロトロン１からの粒子線の取り出し＞
図１に示すシンクロトロン１内の周回軌道を周回している多数の粒子(荷電粒子)は、水平方向(図１の紙面方向)または鉛直方向(図１の紙面に垂直方向)に振動しながら周回している。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動は、四極電磁石６などにより制御している。

シンクロトロン１内の周回軌道を周回する粒子(荷電粒子)は、高周波加速空洞４によって加速され最大エネルギに達する。その後、粒子線のビームにＲＦ−ＫＯ電極を用いてＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加することによりベータトロン振幅を増大させる。そして、シンクロトロン１内で周回している多数の粒子(荷電粒子)の一部を、静電デフレクタ７を用いて、出射ビーム輸送ライン２Ｂへ向けて出射させる。

詳細には、シンクロトロン１内の粒子線のビームをシンクロトロン１外の出射ビーム輸送ライン２Ｂに向けて取り出すため、シンクロトロン１の管の中心付近に分布する粒子線のビームに、その周回軌道に対し垂直かつ水平方向にＲＦ−ＫＯ電極で挟んでＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加する。これにより、粒子線のビームサイズを水平方向(図１の紙面方向)に広げる。この粒子の出射は、シンクロトロン１内の周回軌道を進む粒子(荷電粒子)のベータトロン振動の共鳴を利用して行われる。

すなわち、ＲＦ−ＫＯ電極は、シンクロトロン１の周回軌道を進むビームに対して、周回軌道に垂直(図１の紙面に垂直方向)かつ水平方向(図１の紙面方向)に、ベータトロン振動に共鳴する周波数変調および振幅変調されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、周回軌道を進む粒子線のビームの幅を広げる。これにより、粒子線のビームの一部を静電デフレクタ７の電極間に入れる。

なお、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときには、この粒子のビームサイズの増加が止まるために、粒子線が静電デフレクタ７から取り出されなくなるので、出射ビーム輸送ライン２Ｂへの照射を止めることが可能となる。
出射ビーム輸送ライン２Ｂには、出射セプタム電磁石２ｄは、出射輸送ライン２Ｂに入った粒子線のビーム(荷電粒子)を磁界に起因する力によって出射ビーム輸送ライン２Ｂに沿った方向に変更する。

出射ビーム輸送ライン２Ｂの下流には、ビーム照射ポート２Ｂ１が接続され、ビーム照射ポート２Ｂ１により、照射室において照射対象(治療台上の患者の腫瘍)に、取り出した粒子線(陽子線や重粒子線)ビームｂを照射する。

＜線量分布測定システムＳ＞
本実施形態(本発明)の線量分布測定システムＳは、粒子線照射装置Ｔのビーム照射ポート２Ｂ１から出射される粒子線(陽子線や重粒子線)ビームｂの線量の分布を測定するシステムである。
図２は、実施形態の線量分布測定システムＳの構成を示す斜視図である。図３は、線量分布測定装置１０の水ファントム１２廻りを拡大して示す拡大斜視図である。

本実施形態の線量分布測定システムＳは、線量分布測定装置１０と、後記する信号処理フローを行う線量分布測定制御装置９とを具備し構成されている。
線量分布測定装置１０は、ビーム照射ポート２Ｂ１から出射される粒子線ビームｂの元の線量を検出する校正用の固定される固定式の線量検出器１１と、水ｗの中で駆動機構Ｋによって移動される移動式の線量検出器１３が設けられる水ファントム１２とを備えている。水ファントム１２は、水が人の生体組織を模したものとして使用できることから、用いられる。
なお、校正用の固定式の線量検出器１１は、出射ビーム輸送ライン２Ｂ内に設けてもよい。

移動式の線量検出器１３は、水ファントム１２内を移動しつつ人体を模した水ｗの中の粒子線ビームｂの線量を測定することで、粒子線の線量の分布を測定する。
そこで、水ファントム１２内の水ｗの中を移動式の線量検出器１３を移動させるべく、駆動機構Ｋが水ファントム１２の外郭に設けられた支持構造１２ａ、１２ａ(図３参照)に取り付けられている。なお、駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１を水ファントム１２の外郭の深さ方向に延在する面に沿って設けられる支持構造１２ａ、１２に取り付けることで、直方体状の水ファントム１２の外郭の深さ方向に延在する面と、駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１の軸方向とを一致させることができ、水ファントム１２の外郭の深さ方向に延在する面に垂直な他の２面と水平・垂直方向駆動機構Ｋ２、Ｋ３の軸方向とを一致させることができる。

駆動機構Ｋは、移動式の線量検出器１３を、粒子線ビームｂに沿った深さ方向(図３のＸ方向)に移動させる深さ方向駆動機構Ｋ１と、粒子線ビームｂに垂直な水平方向(図３のＹ方向)に移動させる水平方向駆動機構Ｋ２と、粒子線ビームｂに沿った深さ方向(図３のＸ方向)および水平方向(図３のＹ方向)に垂直な方向(図３のＺ方向)に移動させる垂直方向駆動機構Ｋ３とを有している。

深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、それぞれステッピングモータや、ウォームギア、ウォームホイール、ラック、ピニオンなどの回転運動を直線運動に変換する減速機構を用いて構成される。
なお、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、これ以外にコイルを直線方向(Ｘ・Ｙ・Ｚ方向)に並べ、流す電流を切り換えることで直線方向(Ｘ・Ｙ・Ｚ方向)に移動させるリニアモータを使用して実現してもよい。

駆動機構Ｋは、深さ方向駆動機構Ｋ１の固定スライド部Ｋ１１が、支持構造１２ａ、１２ａの上端部に固定されている。深さ方向駆動機構Ｋ１は、固定スライド部Ｋ１１に対して、深さ方向(図３のＸ軸方向)に可動部Ｋ１２がスライド自在に取り付けられている。
水平方向駆動機構Ｋ２は、深さ方向駆動機構Ｋ１の可動部Ｋ１２に対して、水平方向(図３のＹ軸方向)にスライド自在に取り付けられている。
垂直方向駆動機構Ｋ３は、水平方向駆動機構Ｋ２に対して、垂直方向(図３のＺ軸方向)にスライド自在に取り付けられている。

線量分布測定制御装置９の駆動制御装置９ｃ(図４参照)から制御信号を駆動機構Ｋのモータに送信し、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ稼働させることで、移動式の線量検出器１３を、水ファントム１２内の水ｗの中で３次元の所望の位置に配置させることができる。

＜粒子線ビームｂの軸と水ファントム１２の駆動機構Ｋの深さ方向の軸(図３のＸ軸)との位置・角度調整＞
ビーム照射ポート２Ｂ１から出射される粒子線ビームｂの正確な線量分布を測定するために、ビーム照射ポート２Ｂ１からの粒子線ビームｂの軸と水ファントム１２の深さ方向の軸(図３の駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１の軸(Ｘ軸))との位置・角度誤差を小さくするため、以下の調整が行われる。
ビーム照射ポート２Ｂ１の軸と水ファントム装置１２の深さ方向の軸(図３の駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１の軸(Ｘ軸))とは、セオドライトやレーザー水準器などを用いた測量により精密にアライメント(一直線状に)調整される。

また、ビーム照射ポート２Ｂ１に設置されている不図示のビーム位置モニタも同様に、ビーム照射ポート２Ｂ１の軸にアライメント調整されている。
さらに、ビーム照射ポート２Ｂ１から出射される粒子線ビームｂは、ビーム位置モニタでそのビーム重心が測定され、ビーム照射ポート２Ｂ１の軸に対してビーム軌道が中心にくるようにステアリング電磁石などで調整される。

その結果、粒子線ビームｂの入射軸と水ファントム装置１２の深さ方向の軸(駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１の軸(図３のＸ軸))とが精密にアライメントされる。
これにより、ビーム照射ポート２Ｂ１からの粒子線ビームｂの軸と水ファントム装置１２の軸(駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１の軸(図３のＸ軸))とは精密に一致させられる。

＜線量分布測定制御装置９＞
図４は、線量分布測定制御装置９と、固定式の線量検出器１１、移動式の線量検出器１３、および駆動機構Ｋとの信号の授受を示すブロック図である。
線量分布測定制御装置９は、水ファントム１２内の水ｗの中の粒子線ビームｂの線量分布を測定するための制御を担う装置である。

線量分布測定制御装置９は、アナログ信号処理装置９ａとアナログ信号処理装置９ｂと駆動制御装置９ｃとデジタル信号処理計算機９ｄとを備えている。
アナログ信号処理装置９ａは、固定式の線量検出器１１からアナログ信号を受信し、粒子線ビームｂの原線量(元の線量)を測定するための装置である。

アナログ信号処理装置９ａは、線量検出器１１からの線量を示す電流信号を電圧信号に変換した後、デジタル信号に変換し、デジタル信号処理計算機９ｄに出力する。
アナログ信号処理装置９ａは、線量を表す電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換回路、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換器などを有している。

アナログ信号処理装置９ｂは、移動式の線量検出器１３からアナログ信号を受信し、水ファントム１２内の水ｗの中の粒子線ビームｂの線量を測定するための装置である。アナログ信号処理装置９ｂは、線量検出器１３からの線量を示す電流信号を電圧信号に変換した後、デジタル信号に変換し、デジタル信号処理計算機９ｄに出力する。

アナログ信号処理装置９ｂは、線量を表す電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換回路、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換器などを有している。
アナログ信号処理装置９ａ、９ｂは、それぞれ線量を表す電流を、パルス信号に変換するパルス信号発生回路を有する構成としてもよい。

駆動制御装置９ｃは、制御信号を駆動機構Ｋのモータに送信し、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ稼働させることで、水ファントム１２内の水ｗの中で移動式の線量検出器１３を制御信号で指示した位置に配置させる。つまり、駆動制御装置９ｃは、デジタル信号処理計算機９ｄからの駆動指令を受信し、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３のモータに駆動制御信号を出力する。

また、駆動制御装置９ｃは、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３により移動した移動式の線量検出器１３の位置を検出する。つまり、駆動制御装置９ｃは、モータの回転速度を表すアナログ信号をパルス信号に変換し、デジタル信号処理計算機９ｄに出力する。
駆動制御装置９ｃは、駆動機構Ｋのモータを稼働するアクチュエータ制御回路、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３での移動式の線量検出器１３の位置を表す信号を変換するロータリーエンコーダ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換器などを有している。

移動式の線量検出器１３の位置は、駆動機構Ｋのモータの回転速度(回転数)の信号から、デジタル信号処理計算機９ｄで、各深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の減速比を用いて求めることとしている。或いは、回転速度(回転数)に代えて、位置を示す光、うず電流、超音波の変化などから位置を検出する位置センサを、深さ・水平・垂直方向駆動機構Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３にそれぞれ設けて移動式の線量検出器１３の位置を検知する構成としてもよい。この場合、駆動制御装置９ｃは位置センサからのセンサ信号の増幅回路を有する。

デジタル信号処理計算機９ｄは、ソフトウェア処理を実行するコンピュータであり、線量分布測定システムＳにおいて、水ファントム１２内の水ｗ中の粒子線ビームｂの線量分布の測定の処理を司る装置である。
デジタル信号処理計算機９ｄは、ＲＯＭ(Read Only Memory)などのメモリに格納されるソフトウェア、つまりＣ言語などで記述されたプログラムを実行することで、処理が遂行される。

＜線量分布の測定＞
線量分布測定システムＳでは、図１に示す粒子線照射装置Ｔから照射される粒子線ビームｂを、水ファントム１２内で複数の駆動軸(図３のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向)を有する駆動機構Ｋにより移動する移動式の線量検出器１３を用いて、三次元の水ファントム１２の空間での線量分布を、リアルタイムでデジタル処理して測定する。

この際、図２に示すように、水ファントム１２の上流に設置された固定式の線量検出器１１で線量を測定しながら、駆動制御装置９ｃによって水ファントム１２内を移動している移動式の線量検出器１３の位置情報も同時に得ることで、後記の図６に示す信号処理フローを介して、粒子線ビームｂの線量分布データの取得を行う。

図５は、水ファントム１２内で移動式の線量検出器１３を深さ方向(図３のＸ軸方向)に移動しつつある状態を示す図３のＡ方向矢視断面図である。
以下で説明するのは、図５に示すように、移動式の線量検出器１３を駆動機構Ｋの深さ方向駆動機構Ｋ１で、水ファントム１２内の水ｗ中で深さ方向(Ｘ方向)に移動させた場合のビーム照射ポート２Ｂ１から出射される粒子線ビームｂの水ファントム１２内の水ｗの中での線量分布である。

次に、デジタル信号処理計算機９ｄにおける粒子線ビームｂの三次元の水ファントム１２の空間での線量分布の測定の処理について、図６に従って説明する。
図６は、実施形態の線量分布測定システムＳでの線量分布の測定のシーケンスにおけるデジタル信号処理を示すフロー図である。
デジタル信号処理計算機９ｄによるデジタル信号処理は、図６のフロー図のようにして行われる。

まず、デジタル信号処理計算機９ｄは、駆動制御装置９ｃに、水ファントム１２内での粒子線ビームｂの線量分布を測定するために移動式の線量検出器１３を初期位置から距離Ｘ_０まで動かすように駆動指令を出力する(図６のＳ１０１)。
次に、デジタル信号処理計算機９ｄは、変数ｉに“０”を設定する(図６のＳ１０２)。

その後、デジタル信号処理計算機９ｄは、駆動制御装置９ｃからの現在の移動式の線量検出器１３の位置Ｘの情報と、アナログ信号処理装置９ａからの固定式の線量検出器１１の線量Ｙの情報と、アナログ信号処理装置９ｂからの移動式の線量検出器１３の線量Ｙ’の情報とを読み込む(取得する)(図６のＳ１０３)。

そして、デジタル信号処理計算機９ｄは、固定式の線量検出器１１の線量Ｙが既定の閾値Ｙ_０以上か否か判定する(図６のＳ１０４)。ここで、デジタル信号処理計算機９ｄは、固定式の線量検出器１１の線量Ｙを示す信号の信号雑音比（ＳＮ比）やアナログ−デジタル変換での分解能を考慮して、固定式の線量検出器１１の線量Ｙに閾値Ｙ_０を設定し、線量Ｙが閾値Ｙ_０以上の場合のみ以降の演算を行うようにしている。

Ｓ１０４で、固定式の線量検出器１１の線量Ｙが閾値Ｙ_０以上でないと判定された場合(Ｓ１０４でＮｏ)、Ｓ１０３に移行し、Ｘ、Ｙ、Ｙ’の情報を読み込む。なお、Ｘ、Ｙ、Ｙ’の情報は、時間で同期をとることができる。
一方、Ｓ１０４で、固定式の線量検出器１１の線量Ｙが閾値Ｙ_０以上と判定された場合(Ｓ１０４でＮｏ)、デジタル信号処理計算機９ｄは、
ｉ＝ｉ＋１、Ｄ_ｉ＝Ｙ’／Ｙ、Ｚ_ｉ＝Ｘ の演算を行う。

ここで、“ｉ＝ｉ＋１”は測定数を演算している。
“Ｄ_ｉ＝Ｙ’／Ｙ”は、測定された移動式の線量検出器１３の線量Ｙ’を測定された固定式の線量検出器１１の線量Ｙで除算し、水ファントム１２内の水ｗの中の粒子線ビームｂの線量を校正している。何故なら、粒子線ビームｂの線量は時間変動するので、固定式の線量検出器１１の線量Ｙで、移動式の線量検出器１３で測定した線量の校正を行うこととしている。
“Ｚ_ｉ＝Ｘ”は、測定時の移動式の線量検出器１３の移動距離Ｘを後に線量の情報と結びつけるため、ｉ回目の移動式の線量検出器１３の移動距離Ｘを変数Ｚ_ｉに設定している(Ｓ１０５)。

続いて、デジタル信号処理計算機９ｄは、 Ａ_ｉ＝(Ｄ_ｉ＋Ｄ_ｉ−１＋Ｄ_ｉ−２＋……＋Ｄ_{ｉ−Ｎ＋１})／Ｎ の演算を行う。この演算は、下記の理由で行われるものである。
測定したいデータは、移動式の線量検出器１３の出力の線量Ｙ’を固定式の線量検出器１１の出力の線量Ｙで規格化した値Ｄであるが、信号ノイズやアナログ／デジタル変換(Ａ／Ｄ変換)分解能の影響をさらに減らすため、Ｄ_ｉに直近Ｎ個の移動平均化したものを最終的な値Ａ_ｉとしている。通常、演算処理速度は移動式の線量検出器１３の駆動速度に比べて非常に速いため、移動平均化を行っても位置分解能を十分に高く保つことが可能である(図６のＳ１０６)。

続いて、デジタル信号処理計算機９ｄは、 Ｘ＞＝Ｘ_０ であるか否か判定する。つまり、移動距離Ｘが設定した初期位置から距離Ｘ_０に至ったか否か判定する(図６のＳ１０７)。
なお、Ｓ１０７では、移動距離Ｘが設定した初期位置から距離Ｘ_０に至ったか否かを判定するので、Ｘ＝Ｘ_０を判定してもよいが、処理がループすることがないように、Ｘ＞＝Ｘ_０ であるか否か判定している。
Ｘ＞＝Ｘ_０ でない、すなわち移動距離Ｘが設定した初期位置から距離Ｘ_０に至っていないと判定された場合(図６のＳ１０７でＮｏ)、移動式の線量検出器１３が、図６のＳ１０１で設定した距離Ｘ_０まで移動してないので、図６のＳ１０３に移行し、線量の測定を継続する。

一方、図６のＳ１０７で、Ｘ＞＝Ｘ_０ である、すなわち移動距離Ｘが設定した初期位置から距離Ｘ_０に至っていると判定された場合(図６のＳ１０７でＹｅｓ)、デジタル信号処理計算機９ｄは、測定データの配列(Ｚ_ｍ，Ａ_ｍ)をファイルに出力する(Ｓ１０８)。
出力される測定データの配列(Ｚ_ｍ，Ａ_ｍ)の情報は、不図示の表示装置に表示ファイルを用いて表示されたり、不図示のプリンタにより印刷ファイルを用いて印刷される。或いは、測定データの配列(Ｚ_ｍ，Ａ_ｍ)のファイルは他システムにファイル転送して、他システムに送る構成としてもよい。或いは、測定データの配列(Ｚ_ｍ，Ａ_ｍ)の情報は、テキストデータとして、データベースなどの記憶部に記憶する構成としてもよい。

以上の線量分布測定システムＳのデジタル信号処理(図６参照)の結果、図７に示す水ファントム１２内の水ｗの深さ位置(図５のＸ軸方向)に対する線量の分布が得られる。図７は、線量分布測定システムＳで測定した水ファントム１２内の水ｗの深さ方向の線量分布を示す図である。なお、図７の深さ位置“０”とは、図５のＸ軸方向の水ファントム１２内の水ｗの深さ“０”を示す。

以上、本実施形態(本発明)に係わる線量分布測定システムＳの構成をまとめると、
本実施形態(本発明)に係わる線量分布測定システムＳは、粒子線照射装置Ｔから水ファントム１２に照射される粒子線ビームｂの線量分布を測定するための移動式の線量検出器１３、この移動式の線量検出器１３を水ファントム１２内で移動するための複数の駆動軸(図３のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向)を有する駆動機構Ｋ、水ファントム１２より上流側に設置された照射線量校正用の固定式の線量検出器１１、水ファントム１２内の移動式の線量検出器１３の駆動装置を制御・監視する駆動制御装置９ｃ、固定式・移動式の線量検出器１１、１３とアナログ信号処理装置９ａ、９ｂを介して送受信するとともに駆動制御装置９ｃと送受信するデジタル信号処理計算機９ｄを備えたものである。

粒子線を照射しながら水ファントム１２内で測定したい軸方向(図３のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向)に移動式の線量検出器１３を駆動制御装置９ｃによって移動することで、デジタル信号処理計算機９ｄは、時間に対して連続的な線量データを照射線量校正用の固定式の線量検出器１１と水ファントム１２内の水ｗ中の移動式の線量検出器１３から得られる。同時に、デジタル信号処理計算機９ｄは、移動式の線量検出器１３の駆動制御装置９ｃから移動式の線量検出器１３の座標データも取得できる。

デジタル信号処理計算機９ｄでは、駆動制御装置９ｃから得られる移動式の線量検出器１３の座標(位置)をモニタしながら、移動式の線量検出器１３の出力信号を固定式の線量検出器１１の出力信号で除算して校正した測定線量を高速演算により求めることで、位置分解能が高い線量分布データを短時間で取得する。

従って、本実施形態の線量分布測定システムＳによれば、水ファントム１２と複数の駆動軸(図３のＸ、Ｙ、Ｚ軸参照)を有する駆動機構Ｋに取り付けられた移動式の線量検出器１３を用いた粒子線の線量分布測定において、位置分解能の高い線量分布データが得られる。
また、短時間で位置分解能が高い線量分布データを取得できる。例えば、従来、３０ｃｍの距離の線量データをとるのに、１０分〜２０分かかっていたものが、約１分で測定できる。

また、水ファントム１２内の水ｗ中で連続的に線量データをとることができ、線量データの取り逃がしがない。これに対し、従来の方法では、間歇的に線量データを測定する方法であったので、前記したように、測定点間の線量が、理論値、シミュレーション、回帰法などのフィッティング等の予測となっていた。しかし、本線量分布測定システムＳによれば、連続的に線量データをとることができ、この問題が解消する。

＜その他の実施形態＞
なお、前記実施形態では、水ファントム１２内の水ｗの深さ方向(図３のＸ軸方向)に移動式の線量検出器１３を移動しつつ、線量を測定する場合を例示したが、図３のＹ軸方向または図３のＺ軸方向に移動式の線量検出器１３を移動しつつ、線量を測定してもよいのは勿論である。或いは、図３のＸ軸およびＹ軸方向、または、図３のＺ軸およびＹ軸方向または、図３のＸ軸およびＺ軸方向、または、図３のＸ軸およびＹ軸およびＺ軸方向に、同時に移動式の線量検出器１３を移動しつつ、測定してもよい。

或いは、前記実施形態では、粒子線ビームｂの位置を固定して線量を測定する場合を例示したが、粒子線ビームｂの位置を移動しつつ、移動式の線量検出器１３を移動して、線量を測定してもよい。なお、この場合も、移動式の線量検出器１３は任意方向に移動できる。
なお、前記実施形態では、水ファントム１２内の水ｗを用いて粒子線ビームｂの線量を測定する場合を例示したが、水ｗ以外の生体組織を模した他のファントムを用いて粒子線ビームｂの線量を測定してもよい。

例えば、水ファントム１２の水槽を密封容器に変更し気体（例としては組織等価ガスなど）を封入する方法や、水以外の体組織に近い液体、例えば、コロイド溶液などの牛乳を使用してもよい。

また、前記実施形態では、線量分布測定システムＳでは、ソフトウェアを用いて処理を行う場合を例示したが、線量分布測定システムＳの機能の少なくとも一部を、ＩＣ(Integrated Circuit)、ＬＳＩ(Large Scale Integration)などのハードウェアを使用して行うように構成してもよい。

以上、本発明の種々の実施形態を述べたが、その説明は典型的であることを意図している。従って、本発明の範囲内で様々な修正と変更が可能である。すなわち、本発明は発明の趣旨を変更しない範囲において変更可能である。

９ａ、９ｂ アナログ信号処理装置
９ｃ 駆動制御装置(位置監視手段)
９ｄ デジタル信号処理計算機(線量計算手段)
１１ 固定式の線量検出器(第１の線量検出器)
１２ 水ファントム(ファントム)
１３ 移動式の線量検出器(第２の線量検出器)
ｂ 粒子線ビーム
Ｋ 駆動機構
Ｋ１ 深さ方向駆動機構(駆動機構)
Ｋ２ 水平方向駆動機構(駆動機構)
Ｋ３ 垂直方向駆動機構(駆動機構)
Ｓ 線量分布測定システム
Ｘ(軸の方向) 第１の方向
Ｙ(軸の方向) 第２の方向
Ｚ(軸の方向) 第３の方向

Claims (6)

1. 照射された粒子線ビームの生体組織を模したファントム内での線量分布を測定するための線量分布測定システムであって、
   前記粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置され前記粒子線ビームの線量を検出する第１の線量検出器と、
   前記ファントム内を移動しつつ前記粒子線ビームの線量を検出する第２の線量検出器と、
   該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、
   前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、
   前記第１の線量検出器および前記第２の線量検出器からの各線量情報および前記位置監視手段からの前記第２の線量検出器の位置を示す位置情報が入力される線量計算手段とを備え、
   前記線量計算手段は、
   前記第２の線量検出器からの線量情報を前記第１の線量検出器からの線量情報を基に校正し、前記第２の線量検出器の位置情報を用いて前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出する
   ことを特徴とする線量分布測定システム。
2. 照射された粒子線ビームの生体組織を模したファントム内での線量分布を測定するための線量分布測定システムであって、
   前記粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置され前記粒子線ビームの線量を検出する第１の線量検出器と、
   前記ファントム内を移動しつつ前記粒子線ビームの線量を検出する第２の線量検出器と、
   該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、
   前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、
   前記第１の線量検出器および前記第２の線量検出器からの各線量を示す出力信号がアナログ信号処理装置を介してデジタル信号とされ受信されるとともに前記位置監視手段からの前記第２の線量検出器の位置を示す信号が受信されるデジタル信号処理計算機とを備え、
   前記デジタル信号処理計算機は、前記第１および前記第２の線量検出器からの各線量を示す信号を用いて、前記第２の線量検出器からの線量情報を前記第１の線量検出器からの線量情報を基に校正し、前記第２の線量検出器の位置を示す信号を用いて前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出する
   ことを特徴とする線量分布測定システム。
3. 前記駆動機構は、前記粒子線ビームの進行方向に沿った第１の方向と、前記粒子線ビームの進行方向に垂直な第２の方向と、前記第１の方向および前記第２の方向に垂直な第３の方向との少なくとも何れかの方向に、前記第２の線量検出器を移動させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線量分布測定システム。
4. 粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置される第１の線量検出器と、前記ファントム内を移動する第２の線量検出器と、該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、線量計算手段とを備え、照射された前記粒子線ビームの生体組織を模したファントム内での線量分布を測定する線量分布測定システムの線量分布測定方法であって、
   前記第１の線量検出器は、前記前記粒子線ビームの線量を検出し、
   前記第２の線量検出器は、前記駆動機構により移動されながら前記粒子線ビームの線量を検出し、
   前記位置監視手段は、前記第２の線量検出器の位置を示す位置情報を出力し、
   前記線量計算手段は、
   移動しつつある前記第２の線量検出器の位置情報、および、前記第１および前記第２の線量検出器からのそれぞれの線量情報を取得し、
   前記第２の線量検出器からの線量情報を前記第１の線量検出器からの線量情報を基に校正し、前記位置情報により前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出する
   ことを特徴とする線量分布測定システムの線量分布測定方法。
5. 粒子線ビームの照射方向に対して前記ファントムの上流に設置される第１の線量検出器と、前記ファントム内を移動する第２の線量検出器と、該第２の線量検出器を移動させるための駆動機構と、前記第２の線量検出器の位置を監視する位置監視手段と、デジタル信号処理計算機とを備え、前記照射された粒子線ビームの生体組織を模したファントム内における線量分布を測定する線量分布測定システムの線量分布測定方法であって、
   前記第１の線量検出器は、前記粒子線ビームの線量を検出し、
   前記第２の線量検出器は、前記駆動機構により移動されながら前記粒子線ビームの線量を検出し、
   前記位置監視手段は、移動しつつある前記第２の線量検出器の位置を示す信号を、前記デジタル信号処理計算機に出力し、
   前記アナログ信号処理装置は、前記第１および前記第２の線量検出器からのそれぞれの線量を示す出力信号を、デジタル信号に変換して前記デジタル信号処理計算機に出力し、
   前記デジタル信号処理計算機は、前記第２の線量検出器からの線量の情報を前記第１の線量検出器からの線量の情報を基に校正し、前記第２の線量検出器の位置を示す信号を用いて前記ファントム内の位置に対する前記粒子線ビームの線量分布データを算出する
   ことを特徴とする線量分布測定システムの線量分布測定方法。
6. 前記駆動機構は、前記第２の線量検出器を、前記粒子線ビームの進行方向に沿った第１の方向と、前記粒子線ビームの進行方向に垂直な第２の方向と、前記第１の方向および前記第２の方向に垂直な第３の方向との少なくとも何れかの方向に移動させる
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の線量分布測定システムの線量分布測定方法。

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