JP2016030082A - 粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子線の飛程の終端を確実にイメージングすることができる粒子線治療装置を提供する。【解決手段】 本発明の粒子線治療装置９は、互いの位置関係が変更できる複数の検出ユニット１２ａ，１２ｂを有しているという点と、検出ユニット１２ａ，１２ｂが空間分解能の高い放射線検出器より構成されているという２つの点を構造的な特徴として有している。本発明によれば、被検体に検出ユニット１２ａ，１２ｂを可能な限り近づけることができる構成となっているので、従来に比べて消滅放射線ペアの検出点数を増やすことができ、空間分解能の高い放射線検出器を用いたＰＥＴ撮影が可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、被検体に粒子線を照射して治療を行う粒子線治療装置に係り、特に、被検体における粒子線の照射部位をイメージングすることができる粒子線治療装置に関する。

被検体に加速した原子核（粒子線）を照射して患部にあるがん組織を破壊する粒子線治療装置は、医療機関に配備される。

粒子線治療装置では、粒子線のエネルギーを変更することにより、被検体内のうちどこを治療するかを調節できる。被検体に粒子線を照射すると、粒子線は徐々にエネルギーを失いながら被検体内を進みそのまま透過しようとする。このとき粒子線は、被検体組織に干渉せずに素通りする。しかし、ある程度までエネルギーを失うと、粒子線は被検体内をこれ以上進むことができなくなり、その場所で大きなエネルギーを放出して消滅し、周辺の被検体組織が破壊される。このような粒子線の特徴は、正常組織に与えるダメージを最小限にしつつ、がん組織に狙いを定めて治療ができるという観点で有用性が高い。

しかし、この様な粒子線は、狙い通りの治療が行えているか判断するのが難しい。粒子線による被検体組織の破壊は、被検体の内部で起こるので、粒子線が被検体のどの部分で作用しているか一見しては分からないのである。粒子線が破壊した被検体組織が本当に狙い通りのがん組織であるかどうか確かめる必要がある。

そこで、従来の粒子線治療装置には、粒子線の消滅点である粒子線の飛程の終端をイメージングするカメラが設けられているものがある。このカメラは、粒子線が消滅するときに放出されるγ線などの放射線をイメージングする。このようなカメラの一種としてＰＥＴ(Positron Emission Tomography)装置がある。PET装置は、粒子線の飛程の終端で生じた陽電子に由来するγ線のペアを検出し、ペアの発生点をイメージングする装置である。（例えば、特許文献１参照）。

米国特許明細書第２００６０１１３４８２号公報

しかしながら、従来構成の粒子線治療装置は、次のような問題点がある。
すなわち、従来構成の粒子線治療装置は、粒子線の飛程の終端を十分にイメージングできない。

上述のようにＰＥＴ装置は、被検体内に投与される放射性薬剤を撮影する目的で開発されたものである。このようなＰＥＴ装置は、被検体に投与した放射性薬剤から放射される放射線を検出して薬剤の分布をイメージングする。この放射性薬剤は、陽電子放出型であり、確実に放射線のペアを生じるので、ＰＥＴ装置で検出がしやすい。

ところが、粒子線治療における粒子線の飛程の終端をＰＥＴ装置でイメージングしようとすると事情が異なる。飛程の終端まで来た粒子線は、消滅するときに様々な核種や放射線を生じる。従って、粒子線は必ず陽電子を発生させるとは限らない。このような事情から、粒子線治療においては、発生する陽電子由来の放射線のペアはわずかとなる。わずかな放射線のペアしか生じない粒子線治療においては、空間分解能の高い放射線検出器を用いてＰＥＴ撮影を行うことができない。このような放射線検出器は、十分な放射線量がないと高い空間分解能が得られないからである。したがって、粒子線治療時のＰＥＴ撮影には、空間分解能の高い放射線検出器の使用を断念せざるを得ない。

このような事情があることから、粒子線治療に適した新たな構成のＰＥＴ装置を開発する必要性が生じる。

本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、粒子線の飛程の終端を確実にイメージングすることができる粒子線治療装置を提供することにある。

本発明は上述の課題を解決するために次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る粒子線治療装置は、粒子線を被検体に向けて照射する粒子線源と、被検体を挟むように設けられた複数の検出ユニットから構成され、粒子線に由来する陽電子が消滅するときに生じる放射線のペアの検出してその結果を示す検出データを出力する検出手段と、検出ユニット同士の離間距離が短くなるように検出ユニットを移動させることにより検出ユニットを被検体に接近させる検出ユニット移動手段と、検出ユニット移動手段を制御する検出ユニット移動制御手段と、検出手段が出力する検出データに基づいて放射線のペアの発生位置をイメージングする画像生成手段とを備え、検出ユニットが放射線を蛍光に変換するシンチレータ結晶が３次元的に配列して構成されるシンチレータを有する放射線検出器より構成されていることを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明の粒子線治療装置によれば、粒子線の飛程の終端を確実にイメージングすることができる。本発明の粒子線治療装置は、被検体を挟み込む位置にあり互いを接近させることができる複数の検出ユニットを有しているという点と、検出ユニットが３次元的に配列されたシンチレータ結晶を有する空間分解能の高い放射線検出器より構成されているという２つの点を構造的な特徴として有している。粒子線治療装置においてのＰＥＴ撮影は、空間分解能の高い放射線検出器を放射線の検出に用いるのが難しいという事情がある。このような放射線検出器は、より多くの消滅放射線ペアの検出点数を要求するにもかかわらず粒子線治療において被検体内で発生する消滅放射線のペアはわずかだからである。本発明によれば、被検体に検出ユニットを可能な限り近づけることができる構成となっているので、従来に比べて消滅放射線ペアの検出点数を増やすことができ、空間分解能の高い放射線検出器を用いたＰＥＴ撮影が可能となる。

また、上述の粒子線治療装置において、検出手段は、異なる検出ユニットに同時に入射した２つの放射線を検出することにより放射線のペアを検出すればより望ましい。

［作用・効果］上述の構成は、本発明の粒子線治療装置をより具体的に示したものとなっている。異なる検出ユニットにより放射線のペアを検出するように構成すれば、陽電子の消滅に伴って生じる互いに反対方向に飛び去る放射線のペアを確実に検出することができる。

また、上述の粒子線治療装置において、ＴＯＦ機能を実現するＴＯＦ機能実行手段を備えるようにすることもできる。

また、上述の粒子線治療装置において、画像生成手段がリアルタイムにイメージングを繰り返すようにすることもできる。

また、上述の粒子線治療装置において、ＰＥＴ撮影とは異なる撮影を実行できる撮影装置を備えるようにしてもよい。

［作用・効果］本発明の粒子線治療装置は、上述のように目的に合わせて構成の最適化を行うことができる。

また、上述の粒子線治療装置において、粒子線源を被検体に対し移動させる粒子線源移動手段を備えればより望ましい。

［作用・効果］上述の構成は、本発明の粒子線治療装置をより具体的に示したものとなっている。粒子線源を被検体に対し移動させる粒子線源移動手段を備えれば、治療の目的に合わせて粒子線の出射位置と出射方向を自由に変更することができるようになる。

本発明の粒子線治療装置によれば、粒子線の飛程の終端を確実にイメージングすることができる。本発明の粒子線治療装置は、互いの位置関係が変更できる複数の検出ユニットを有しているという点と、検出ユニットが空間分解能の高い放射線検出器より構成されているという２つの点を構造的な特徴として有している。本発明によれば、被検体に検出ユニットを可能な限り近づけることができる構成となっているので、従来に比べて消滅放射線ペアの検出点数を増やすことができ、空間分解能の高い放射線検出器を用いたＰＥＴ撮影が可能となる。

実施例１に係る粒子線治療装置の全体構成を説明する機能ブロック図である。 実施例１に係る検出ユニットを説明する斜視図である。 実施例１に係る放射線検出器を説明する斜視図である。 実施例１に係る放射線検出器の反射板の構成を説明する平面図である。 実施例１に係る放射線検出器の蛍光の発生位置を弁別する原理を説明する模式図である。 実施例１に係る放射線検出器の蛍光の発生位置を弁別する原理を説明する模式図である。 実施例１に係るアームの回転を説明する模式図である。 実施例１に係る粒子線治療が実行されている様子を説明する模式図である。 実施例１に係る粒子線治療装置が有する効果を説明する模式図である。 実施例１に係る粒子線治療装置が有する効果を説明する模式図である。 実施例１に係る粒子線治療装置が有する効果を説明する模式図である。

以下、本発明に係る粒子線治療装置の実施例について図面を参照しながら説明する。実施例１におけるγ線は本発明の放射線の一例である。本発明の粒子線治療装置は、粒子線に由来する消滅γ線のペアを検出し、その発生位置をイメージングできる構成となっている。

＜粒子線治療装置の全体構成＞
図１は、実施例１に係る粒子線治療装置９の具体的構成を示している。実施例１に係る粒子線治療装置９は、被検体Ｍに向けて粒子線を照射する粒子線源５と、粒子線に由来する消滅γ線対を検出する検出装置１２とを備えている。粒子線源５から照射される粒子線としては、例えば炭素の原子核である^１１Ｃなどの核種が選択できる。粒子線源制御部６は、粒子線源５を制御することで粒子線の放出の開始と終了を実行する。また、粒子線源制御部６は、粒子線源５を制御することにより被検体Ｍに向けて照射される粒子線のエネルギーを調整する。検出装置１２は、本発明の検出手段に相当する。

天板１０は、被検体Ｍを載置する目的で設けられている。天板１０は、検査室の床面に設置された支持台１０ａにより支持される。

検出装置１２は、被検体Ｍを挟むように設けられた２つの検出ユニット１２ａ，１２ｂから構成され、粒子線に由来する陽電子が消滅するときに生じるγ線のペアの検出してその結果を示す検出データを出力する。検出装置１２を構成する検出ユニット１２ａは、被検体Ｍの上側に位置しており、検出ユニット１２ｂは、被検体Ｍの下側に位置している。検出ユニット１２ａ，１２ｂは、同様の構成となっており、いずれもγ線を検出する検出面を有している。検出ユニット１２ａ，１２ｂは、検出面が被検体Ｍを向くように配置されている。従って、検出ユニット１２ａの下側の面が検出面となっており、検出ユニット１２ｂの上側の面が検出面となっている。検出装置１２は、異なる検出ユニット１２ａ，１２ｂに同時に入射した２つのγ線を検出することによりγ線のペアを検出する構成となっている。

図２は、検出ユニット１２ａ，１２ｂの構成について説明している。検出ユニット１２ａ，１２ｂには、放射線検出器１が縦横に配列しており、これら放射線検出器１が検出面を形作っている。すべての放射線検出器１は、共通の板Ｂにより支持されており、板Ｂから電源の供給を受け、板Ｂに向けて放射線の検出データを出力する。

図３は、検出ユニット１２ａ，１２ｂを構成する放射線検出器１について説明している。検出ユニット１２ａ，１２ｂを構成する放射線検出器はすべてこのタイプである。放射線検出器１は、γ線を蛍光に変換するシンチレータ結晶が３次元的に配列して構成されるシンチレータ２を有している。すなわち、実施例１に係る放射線検出器は、図３に示すように、放射線を蛍光に変換するシンチレータ結晶ｃが縦横に配列し、高さ方向に第１層Ｌ１ないし第４層Ｌ４の４つの層を有するシンチレータ２と、シンチレータ２に光学的に接続されたシリコン・フォト・マルチプライア・アレイ（以下、ＳｉＰＭＡ３よぶ）と、シンチレータ２とＳｉＰＭＡ３との間に介在する位置に配置されたライトガイド４とを備えた放射線検出器である。このＳｉＰＭＡ３は、蛍光を検出する半導体素子シリコン・フォト・マルチプライアが２次元マトリックス状に配列されており、入射した蛍光のｘ，およびｙ（横および縦）についての位置を弁別することができる。ライトガイド４は、シンチレータ２で生じた蛍光をＳｉＰＭＡ３に導くために設けられている。したがって、ライトガイド４は、シンチレータ２とＳｉＰＭＡ３とに光学的に結合されている。シンチレータ２は、シンチレータ結晶が縦横に配列されて構成されるシンチレータ結晶層が高さ方向に４層重なって構成されている。

放射線検出器１は、放射線を蛍光に変換するシンチレータ結晶が縦横に配列して構成されるシンチレータ２と、シンチレータ２で発生した蛍光を通過させるライトガイド４と、ライトガイド４を通過してきた蛍光を検出するＳｉＰＭＡ３とがこの順に積層方向に積層されて構成される。

シンチレータ２は、放射線を蛍光に変換するシンチレータ結晶ｃがｘ，ｙ，ｚ方向に三次元的に配列して構成され、ｚ方向に第１層Ｌ１ないし第４層Ｌ４の４つの層を有している。すなわち、シンチレータ２は、４角柱形状のシンチレータ結晶ｃがｘ，ｙ方向に配列されることにより構成されたシンチレータ結晶層が４層ｚ方向に積層されている。シンチレータ結晶ｃの各々は、Ｃｅが拡散した（Ｌｕ，Ｇｄ）_２ＳｉＯ_５（以下、ＬＧＳＯとよぶ）によって構成されている。また、シンチレータ２の４側端面は、図示しない反射膜で被覆されている。４つのシンチレータ結晶層をＳｉＰＭＡ３から最も遠いものから順に第１層Ｌ１，第２層Ｌ２， 第３層Ｌ３，第４層Ｌ４と呼ぶことにする。シンチレータ結晶層は、ＳｉＰＭＡ３に近いものほどｚ方向について肉厚となっている。

なお、シンチレータ２で発した蛍光は、ライトガイド４を介してシンチレータ２に光学的に接続された蛍光を検出するＳｉＰＭＡ３によって弁別される。つまり、ＳｉＰＭＡ３は、シンチレータ２のｘ方向、ｙ方向について蛍光の発生位置の弁別能を有している。ＳｉＰＭＡ３が有するこの機能により、シンチレータ２のうち蛍光を発したシンチレータ結晶ｃがｘ方向、ｙ方向について位置にあるかを区別することができる。しかし、シンチレータ結晶ｃは、シンチレータ２におけるどの場所でもｚ方向に４つ積み重なっていることからすると、ｘ方向、ｙ方向についての位置弁別しかできないＳｉＰＭＡ３では、蛍光を発生させたシンチレータ結晶がｚ方向に連接した４つのうちどれであるか特定できないようにも思われる。

本発明のＳｉＰＭＡ３は、シンチレータ２のｚ方向についても蛍光の発生位置の弁別をすることができる。すなわち、ＳｉＰＭＡ３は、シンチレータ２が有する４つのシンチレータ結晶層のうち、どの層から蛍光が発したのかを弁別することができるのである。

このようなｚ方向について位置弁別を実現する目的で、シンチレータ２を構成するシンチレータ結晶の隙間に蛍光を反射する反射板が設けられている。この反射板には２種類があり、ｘ方向（横方向）に伸びる反射板ＲＸおよびｙ方向（縦方向）に伸びる反射板ＲＹとがある。反射板ＲＸ，ＲＹは、図３に示すように、互いに隣接するシンチレータ結晶ｃの間に介在する位置あり、例えばポリエステルフィルムなどのプラスチックフィルムで構成され、厚さは、例えば１２５μｍとなっている。

＜反射板ＲＸについて＞
まず、反射板ＲＸについて説明する。図４の左側は、実施例１に係るシンチレータをそのｙｚ側端面から見たときの平面図である。図４の左側の示すように、いずれの反射板ＲＸも、ｘ方向、およびｚ方向に伸びた板状であり、シンチレータ結晶ｃの隙間に挿入されている。しかも反射板ＲＸと各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の高さは等しい。

反射板ＲＸ１は、第１層Ｌ１のシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入される反射板であり、反射板ＲＸ２は、第２層Ｌ２のシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入される反射板である。また、反射板ＲＸ１は、ｙ方向に配列された８個のシンチレータ結晶ｃのうち、例えば、ｃ（８，２）とｃ（８，３）との間に挿入される。この様に、反射板ＲＸ１の左隣は、ｙ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＸ１の右隣は、ｙ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。一方、反射板ＲＸ２は、シンチレータ結晶層において、反射板ＲＸ２とは異なる位置に挿入される。すなわち、反射板ＲＸ２の左隣は、ｙ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＸ２の右隣は、ｙ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。なお、この反射板ＲＸ１は、第１層Ｌ１において３枚設けられ、反射板ＲＸ２は、第２層Ｌ２において４枚設けられる。このように、反射板ＲＸ１，ＲＸ２は、シンチレータ２の第１層Ｌ１と第２層Ｌ２との間で交互に出現するようにシンチレータ結晶ｃ１個分の周期でｙ方向に配列している。反射板ＲＸ１の高さは、第１層Ｌ１の高さに等しく、反射板ＲＸ２の高さは、第２層Ｌ２の高さに等しい。

反射板ＲＸ３は、第３層Ｌ３のシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入される反射板であり、シンチレータ２における反射板ＲＸ３の挿入位置は、反射板ＲＸ１と同様なものとなっている。同様に、反射板ＲＸ４は、第４層Ｌ４のシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入される反射板であり、シンチレータ２における反射板ＲＸ４の挿入位置は、反射板ＲＸ２と同様なものとなっている。すなわち、反射板ＲＸ３の左隣は、ｙ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＸ３の右隣は、ｙ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。そして、反射板ＲＸ４の左隣は、ｙ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＸ４の右隣は、ｙ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。なお、この反射板ＲＸ３は、第３層Ｌ３において３枚設けられ、反射板ＲＸ４は、第４層Ｌ４において４枚設けられる。このように、反射板ＲＸ３，ＲＸ４は、シンチレータ２の第３層Ｌ３と第４層Ｌ４との間で交互に出現するようにシンチレータ結晶ｃ１個分の周期でｙ方向に配列している。反射板ＲＸ３の高さは、第３層Ｌ３の高さに等しく、反射板ＲＸ４の高さは、第４層Ｌ４の高さに等しい。

このように、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２に備えられた反射板ＲＸ１，ＲＸ２は、２つの層の間で交互に出現するようにシンチレータ結晶１個分の周期で縦方向に配列している。同様に、第２層Ｌ２および第３層Ｌ３に備えられた反射板ＲＸ２，ＲＸ３は、２つの層の間で交互に出現するようにシンチレータ結晶１個分の周期で縦方向に配列している。同様に、第３層Ｌ３および第４層Ｌ４に備えられた反射板ＲＸ３，ＲＸ４は、２つの層の間で交互に出現するようにシンチレータ結晶１個分の周期で縦方向に配列している。

＜反射板ＲＹについて＞
続いて、反射板ＲＹについて説明する。図４の右側は、実施例１に係るシンチレータをそのｚｘ側端面から見たときの平面図である。図４の右側の示すように、いずれの反射板ＲＹも、ｙ方向、およびｚ方向に伸びた板状であり、シンチレータ結晶ｃの隙間に挿入されている。反射板ＲＹａの高さは第１層Ｌ１と第２層Ｌ２との合計の高さに等しい。同様に、反射板ＲＹｂの高さは第３層Ｌ３と第４層Ｌ４との合計の高さに等しい。

第１層Ｌ１，第２層Ｌ２には、ｙ方向に伸びる反射板ＲＹａがシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入されている。この反射板ＲＹａは、ｘ方向に配列された８個のシンチレータ結晶ｃのうち、例えば、ｃ（２，１）とｃ（３，１）との間に挿入される。この様に、反射板ＲＹａの左隣は、ｘ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＹａの右隣は、ｘ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。この反射板ＲＹａの各々は、第１層Ｌ１，第２層Ｌ２に跨って設けられており、シンチレータ２全体では３枚設けられる。反射板ＲＹａは、シンチレータ２の第１層Ｌ１と第２層Ｌ２とに跨っているとともにシンチレータ結晶ｃ２個分の周期でｘ方向に配列している。

同様に、第３層Ｌ３，第４層Ｌ４には、ｙ方向に伸びる反射板ＲＹｂがシンチレータ結晶ｃの隙間に挿入されている。しかし、その挿入位置は、反射板ＲＹａとは異なるものとなっている。すなわち、反射板ＲＹｂの左隣は、ｘ方向について奇数番のシンチレータ結晶ｃが位置し、反射板ＲＹｂの右隣は、ｘ方向について偶数番のシンチレータ結晶ｃが位置している。この反射板ＲＹｂの各々は、第３層Ｌ３，第４層Ｌ４に跨って設けられており、シンチレータ２全体では４枚設けられる。反射板ＲＹｂは、シンチレータ２の第３層Ｌ３と第４層Ｌ４とに跨っているとともにシンチレータ結晶ｃ２個分の周期でｘ方向に配列している。

このように、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２に備えられた反射板ＲＹａは、出現する位置が２つの層の間で同じとなるようにシンチレータ結晶２個分の周期で横方向に配列している。同様に、第２層Ｌ２および第３層Ｌ３に備えられた反射板ＲＹａ，ＲＹｂは、２つの層の間で交互に出現するようにシンチレータ結晶１個分の周期で横方向に配列している。同様に、第３層Ｌ３および第４層Ｌ４に備えられた反射板ＲＹｂは、出現する位置が２つの層の間で同じとなるようにシンチレータ結晶２個分の周期で横方向に配列している。

＜蛍光の発生位置の弁別方法＞
次に、実施例１に係る放射線検出器１のｘ，ｙ，ｚ方向における蛍光の発生位置の弁別方法について説明する。シンチレータ２に入射したγ線は、４領域のいずれかで蛍光に変換される。この蛍光は、ライトガイド４の方向に進み、ライトガイド４を介してＳｉＰＭＡ３に入射する。ＳｉＰＭＡ３は、マルチアノードタイプであり、入射位置に応じて出力される検出信号の電圧が段階的に変化する構成となっている。こうして、蛍光がＳｉＰＭＡ３に入射したｘ，およびｙ方向の位置を弁別することができる。

次に、図５，図６を参照しながら、放射線検出器１のｚ方向における蛍光の発生位置の弁別方法について説明する。図５，図６に示すように、シンチレータ２の４領域において、反射板ＲＸと反射板ＲＹの挿入位置が互いに異なるものとなっている。図５，図６を通じて（２，２）に位置するシンチレータ結晶ｃ（２，２）（図５，図６中に斜線で示す）に注目すると、４領域における反射板ＲＸ，ＲＹの挿入方向は、互いに異なったものとなっている。シンチレータ結晶ｃで生じた蛍光は、ｘ，およびｙ方向に広がりながらＳｉＰＭＡ３に到達するが、反射板ＲＸ，ＲＹを設けることによって、その広がり方に方向性が付加される。しかも、ｘ，ｙの位置が同一な各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で発した蛍光の各々を比較すれば、それらが広がる方向は互いに異なったものとなっている。つまり、シンチレータ２のｚ方向における蛍光発生位置の違いは、蛍光のｘ，ｙ方向の位置の違いに変換されることになる。ＳｉＰＭＡ３は、このｚ方向の位置の違いに起因する蛍光のｘ，ｙ方向のわずかなずれを検知し、そこから蛍光のｚ方向に関する発生位置が各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の中のどこかを割り出すことができる。

また、互いに隣接するシンチレータ結晶ｃに挟まれる位置には、蛍光を透過する透過材ｔが設けられている。透過材ｔは、シンチレータ結晶ｃと反射板ＲＸ，ＲＹとの間にも形成されている。この透過材ｔは、シンチレータ結晶ｃや反射板を結合してシンチレータ２を形作る役割も果たしている。この透過材ｔの厚さは、シンチレータ結晶ｃと反射板ＲＸ，ＲＹとの間において２５μｍ程度であり、材料としては、シリコン樹脂からなる熱硬化性樹脂が使用できる。このような構成の放射線検出器をＤＯＩ検出器と呼んだりもする。

＜アームについて＞
粒子線治療装置９には、図１に示すように検出ユニット１２ａ，１２ｂのそれぞれを支持するアーム１３ａ，１３ｂを備えている。アーム１３ａ，１３ｂは、複数の関節を有するロボットアームである。検出ユニット１２ａ，１２ｂは、検出ユニット移動機構１５により移動される。検出ユニット移動機構１５の実際は、アーム１３ａ，１３ｂに取り付けられている駆動装置であり、検出ユニット１２ａ，１２ｂの移動は、アーム１３ａ，１３ｂの関節を駆動することで実現される。検出ユニット移動制御部１６は、検出ユニット移動機構１５を制御する構成である。検出ユニット移動制御部１６は、検出ユニット１２ａ，１２ｂを互いに独立に移動させることもできれば、同期的に移動させることもできる。検出ユニット移動機構１５は、検出ユニット１２ａ，１２ｂを天板１０に水平な姿勢を維持した状態で、鉛直方向、被検体Ｍの体軸方向に平行移動させることができる。検出ユニット移動機構１５は、本発明の検出ユニット移動手段に相当し、検出ユニット移動制御部１６は、本発明の検出ユニット移動制御手段に相当する。

検出ユニット移動機構１５は、天板１０に被検体Ｍを載置する目的で天板１０から退避されていた検出ユニット１２ａ，１２ｂ同士が互いに近づかせる（離間距離を短くさせる）ことにより検出ユニット１２ａ，１２ｂを被検体Ｍに接近させる。また検出ユニット移動機構１５は、治療が終了した被検体Ｍを天板１０から脱離できるように検出ユニット１２ａ，１２ｂ同士が互いに遠ざかる（離間距離が長くなる）ように検出ユニット１２ａ，１２ｂ同士を移動させ、検出ユニット１２ａ，１２ｂを被検体Ｍから離反させる。

＜アームの回転について＞
粒子線治療装置９は、図１に示すようにアーム１３ａ，１３ｂを検出ユニット移動機構１５ごと回転させるアーム回転機構１７を備えている。これによりアーム１３ａ，１３ｂは、互いの位置関係を保った状態で被検体Ｍの体軸を中心に同期的に回転し、これらに追従して検出ユニット１２ａ，１２ｂも図７に示すように回転移動する。アーム回転制御部１８は、アーム回転機構１７を制御する目的で設けられている。

上述のように、粒子線治療装置９が有する検出ユニット１２ａ，１２ｂは、高い自由度で被検体Ｍに対して移動させることができるように構成されている。このように構成すれば被検体ＭにおけるＰＥＴ撮影を行う部位を治療の様式に合わせて自由に変更できるようになる。

＜粒子線源の移動ついて＞
粒子線治療装置９は、図１に示すように粒子線源５を被検体Ｍに対して移動させる粒子線源移動機構１９を備えている。粒子線治療を行うときの粒子線の出射位置と出射方向は、治療目的によって変える必要がある。従って粒子線源５は、治療目的に応じて、自由に移動および傾斜する必要がある。この粒子線源５の移動および傾斜を実現するのが粒子線源移動機構１９である。粒子線源移動機構１９により粒子線源５を適宜移動させれば、粒子線を被検体Ｍの斜め上から照射するようにすることもできれば、斜め下から照射するようにすることもできる。粒子線源移動制御部２０は、粒子線源移動機構１９を制御する目的で設けられている。粒子線源移動機構は、本発明の粒子線源移動手段に相当する。

図１に示す同時計数部２１には、検出装置１２から出力された放射線の検出データが送られてきている。検出装置１２を構成する検出ユニット１２ａ，１２ｂの各々に同時に入射した２つの放射線は、被検体内に照射された粒子線に起因する陽電子の消滅γ線のペアである。同時計数部２１は、検出装置１２を構成するシンチレータ結晶ｃのうち、２つの組み合わせごとに消滅γ線対のペアが検出された回数をカウントし、この結果を示す同時計数データを断層画像生成部２２に送出する。断層画像生成部２２は、本発明の画像生成手段に相当する。

断層画像生成部２２は、同時計数部２１が出力する同時計数データに基づいて被検体内の消滅γ線の発生位置がイメージングされたＰＥＴ画像Ｐ（断層画像）を生成する。ＰＥＴ画像Ｐは、検出ユニット１２ａ，１２ｂを横切る裁断面を有しており、治療に先立って事前に生成しておいた同一の裁断面を有する被検体ＭのＸ線ＣＴ画像に重畳される。こうして生成された重畳画像は、被検体Ｍのどの位置に粒子線が作用しているかを示した画像となっている。この重畳画像は、表示部３０に表示される。

なお、粒子線治療装置９は、各部６，１５，１８，２０，２１，２２を統括的に制御する主制御部４１を備えている。主制御部４１は、ＣＰＵによって構成され、各種のプログラムを実行することにより各部を実現している。なお、上述の各部はそれらを担当する制御装置により分割されて実現されてもよい。操作卓３１は、術者が行う各種指示を入力させる目的で設けられている。記憶部３２は、補正データなど装置の動作に必要なデータの一切を記憶する。

＜粒子線治療が実行されている様子＞
図８は、本発明の粒子線治療装置９が被検体Ｍに対して治療を実行している様子を示している。本発明のＰＥＴ撮影は、粒子線源５から粒子線が放射されている最中に行われる。粒子線の飛程の末端をイメージングして被検体Ｍに粒子線が作用する部位を特定する必要性からである。

粒子線源５から被検体Ｍに向けて照射された粒子線は、被検体Ｍの表面を透過し、ある深さの部分まで到達した時点で消滅する。粒子線は消滅の際にエネルギーを解放して周辺の被検体組織にダメージを与えるとともに、様々な核種や素粒子を発生させる。図８においては、粒子線の消滅に伴い被検体Ｍの体内で陽電子ｐが生じている状態を表している。この陽電子ｐは、付近の電子と結合して消滅し、互いに反対方向に飛び去るγ線のペアを生じる。このγ線ペアのうち一方は、検出装置１２を構成する検出ユニット１２ａにより検出され、もう一方は検出装置１２を構成する検出ユニット１２ｂに検出される。こうして検出装置１２はγ線のペアを検出するのである。検出装置１２がγ線のペアを検出した結果は、断層画像生成部２２が粒子線の作用部をイメージングするときに使用される。

＜本発明の効果＞
本発明の効果について説明する。本発明に係る粒子線治療装置によればより高い空間分解能で被検体内における粒子線の作用部のイメージングができる。図３で説明した放射線検出器１は、４層構造のシンチレータ２を有している。一般に、このようなＤＯＩ構造の放射線検出器１は、単層構造のシンチレータ２を有する放射線検出器よりも空間分解能が高いのである。

しかし、この様な利点があるにも関わらず、従来の粒子線治療装置のＰＥＴ撮影においては、ＤＯＩ構造の放射線検出器１はあまり使用されていない。それには粒子線治療装置ならではの理由がある。

ＤＯＩ構造の放射線検出器１は、図５，６で説明したように、シンチレータ２で生じた蛍光がどの層から生じたのかを各層で異なる蛍光のわずかな空間的な広がりの違いを頼りに区別する。したがって、各層で生じた蛍光は、互いに見分けにくいのである。したがって、シンチレータ２では４層のうちのどれで生じたかはっきりしない蛍光も生まれてしまう。このような発生位置が判然としない蛍光は、検出しなかったものとしてとり使わざるを得ない。つまり、シンチレータ２を４層構造にすると、それだけ検出の失敗が増えてしまう。

検出の失敗が増えるのならば、それに対抗してγ線のペアの検出頻度を増やせばよい。それには、被検体内で生じるγ線のペアの発生を増やすという解決法がまずは思いつく。放射性薬剤を投与して体内における薬剤分布を調べることを目的としたＰＥＴ装置ならば、被検体Ｍの投与する放射性薬剤を増やすことによりγ線のペアの発生を容易に増やすことができる。実際、薬剤分布のイメージングに係るＰＥＴ装置はこのような考えに基づいてＤＯＩ構造の放射線検出器１を搭載している。

しかし、粒子線治療装置におけるＰＥＴ撮影は、粒子線の飛程末端の可視化を目的としている。このような場合、被検体内で生じるγ線のペアは、２次的な産物であり、発生を意図的に増やすのは困難である。したがって、粒子線治療装置におけるＰＥＴ撮影にＤＯＩ構造の放射線検出器１を採用しても、ＰＥＴ画像の画質はあまり良くならない。シンチレータ２を４層構造にすることによる検出の失敗の増加を補うだけγ線ペアの発生を増やすことができないからである。そこで、従来構成の粒子線治療装置は、ＤＯＩ構造の放射線検出器１の採用をあきらめ、図９に示すような単層構造のシンチレータ２を有する放射線検出器をＰＥＴ撮影に用いるようにしている。

ところが、本発明の粒子線治療装置は、検出ユニット１２ａ，１２ｂを十分に被検体Ｍに近づけて行うことにより、ＤＯＩ構造の放射線検出器を用いて空間分解能の高いＰＥＴ撮影を可能としている。

本発明の粒子線治療装置のように検出ユニット１２ａ，１２ｂを被検体Ｍに接近できるような構成を採用すれば、粒子線治療時に生じる発生量の少ないγ線のペアを確実に捉えることができる。この事情について説明する。例えば、図１０に示すように検出ユニット１２ａ，１２ｂ間の幅もｄより小さくすることができないとすると、検出ユニット１２ａと被検体Ｍとの間がかなり離間してしまう。検出ユニット１２ａと被検体Ｍとの間の隙間が大きいと、図１１に示すように、γ線が検出ユニット１２ａの横をすり抜けてしまい、被検体内で生じたγ線のペアのうち検出できないものが増えてくる。γ線のペアを確実に検出するには、検出ユニット１２ａ，１２ｂをできるだけ被検体Ｍに近づけたほうがよいのである。

ところが、従来構成の粒子線治療装置のＰＥＴ撮影は、γ線のペアを確実に検出する構成とは言い難い。従来のＰＥＴ撮影は、放射線検出器がリング状に配列された検出器リングをγ線の検出装置として使用している。このような検出器リングは、被検体Ｍの体幹の一部を収納する体軸方向に伸びた中空を有している。この検出器リングの内径は、被検体Ｍを出し入れする必要性から小さくするのには限界がある。したがって、検出器リングを採用する以上、放射線検出器１を図８に示すように近づけることはできない。

本発明においては、粒子線治療におけるＰＥＴ撮影の空間分解能の向上には、放射線検出器におけるシンチレータ２の構造と、検出装置１２の構造とを同時に最適化する必要があることが見出されている。このような構成の変更は、発生するγ線のペアを容易に増加できない粒子線治療装置ならではといえる。

以上のように、本発明の粒子線治療装置９によれば、粒子線の飛程の終端を確実にイメージングすることができる。本発明の粒子線治療装置９は、被検体Ｍを挟み込む位置にあり互いを接近させることができる複数の検出ユニット１２ａ，１２ｂを有しているという点と、検出ユニット１２ａ，１２ｂが３次元的に配列されたシンチレータ結晶ｃを有する空間分解能の高い放射線検出器１より構成されているという２つの点を構造的な特徴として有している。粒子線治療装置においてのＰＥＴ撮影は、空間分解能の高い放射線検出器１を放射線の検出に用いるのが難しいという事情がある。このような放射線検出器１は、より多くの消滅γ線ペアの検出点数を要求するにも係らず粒子線治療において被検体内で発生する消滅γ線のペアがわずかだからである。本発明によれば、被検体Ｍに検出ユニット１２ａ，１２ｂを可能な限り近づけることができる構成となっているので、従来に比べて消滅γ線ペアの検出点数を増やすことができ、空間分解能の高い放射線検出器１を用いたＰＥＴ撮影が可能となる。

本発明は上述の構成に限られず下記のように変形実施することができる。

（１）上述の実施例では、検出装置１２は、２つの検出ユニット１２ａ，１２ｂから構成されていたが、本発明はこの構成に限られない。検出装置１２を３つ以上の検出ユニットから構成するようにしてもよい。本変形例の場合、ＰＥＴ撮影中は、複数の検出ユニットが被検体を囲むように配置される。検出ユニットごとにアームを有するような構成とすれば、検出ユニットは個別または同期的に移動が可能となる。

（２）上述の実施例では、検出ユニット１２ａ，１２ｂに個別にアーム１３ａ，１３ｂを備える構成となっていたが、本発明はこの構成に限られない。検出ユニット１２ａ，１２ｂを単一のアームで支持するようにし、検出ユニット１２ａ，１２ｂの相対移動は、アームの先端に設けられた駆動装置で実現するようにしてもよい。

（３）上述の実施例の構成に加えて、ＴＯＦ(Time of Flight)機能を追加するように構成してもよい。ＴＯＦ機能とは、放射線ペアが検出ユニット１２ａ，１２ｂの各々に入射するときのわずかな時間差を利用して放射線ペアの発生位置を特定しようとする機能である。このようなＴＯＦ機能は、図１の同時計数部２１が実現する。このようなＴＯＦ機能を備えた粒子線治療装置によれば、放射線のペアの発生位置をより正確に知ることができるようになるとともに、Ｓ／Ｎ比の改善が期待できる。同時計数部２１は、本発明のＴＯＦ機能実行手段に相当する。

（４）上述の実施例の構成では、ＰＥＴ撮影の様式に特に限定はなかったが、ＰＥＴ撮影を連続的に実行して、被検体内における粒子線の作用位置をリアルタイムにイメージングするように構成してもよい。この場合のＰＥＴ撮影は、動画を撮影することになる。

（５）上述の実施例の構成では、ＰＥＴ撮影のみが可能な粒子線治療装置であったが、本発明この構成に限らない。ＰＥＴ撮影に係る構成に加えて、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置、超音波装置など被検体Ｍをイメージングする構成を備えていてもよい。

１ 放射線検出器
２ シンチレータ
５ 粒子線源
１２ａ，１２ｂ 検出ユニット
１２ 検出装置（検出手段）
１５ 検出ユニット移動機構（検出ユニット移動手段）
１６ 検出ユニット移動制御部（検出ユニット移動制御手段）
１９ 粒子線源移動機構（粒子線源移動手段）
２２ 断層画像生成部（画像生成手段）

Claims (6)

1. 粒子線を被検体に向けて照射する粒子線源と、
   被検体を挟むように設けられた複数の検出ユニットから構成され、粒子線に由来する陽電子が消滅するときに生じる放射線のペアの検出してその結果を示す検出データを出力する検出手段と、
   前記検出ユニット同士の離間距離が短くなるように前記検出ユニットを移動させることにより検出ユニットを被検体に接近させる検出ユニット移動手段と、
   前記検出ユニット移動手段を制御する検出ユニット移動制御手段と、
   前記検出手段が出力する検出データに基づいて放射線のペアの発生位置をイメージングする画像生成手段とを備え、
   前記検出ユニットが放射線を蛍光に変換するシンチレータ結晶が３次元的に配列して構成されるシンチレータを有する放射線検出器より構成されていることを特徴とする粒子線治療装置。
2. 請求項１に記載の粒子線治療装置において、
   前記検出手段は、異なる検出ユニットに同時に入射した２つの放射線を検出することにより放射線のペアを検出することを特徴とする粒子線治療装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の粒子線治療装置において、
   ＴＯＦ機能を実現するＴＯＦ機能実行手段を備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の粒子線治療装置において、
   前記画像生成手段がリアルタイムにイメージングを繰り返すことを特徴とする粒子線治療装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の粒子線治療装置において、
   ＰＥＴ撮影とは異なる撮影を実行できる撮影装置を備えている粒子線治療装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の粒子線治療装置において、
   前記粒子線源を被検体に対し移動させる粒子線源移動手段を備えることを特徴とする粒子線治療装置。

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