JP2018524043A - 陽子療法の最適化のための陽子撮像システム - Google Patents

Abstract

医療撮像システムが、第１の追跡検出器と、第２の追跡検出器とを含む。追跡検出器は、物体が第１の追跡検出器と第２の追跡検出器との間に存在することを可能にするように離間される。本システムはまた、第１の追跡検出器に隣接する残留飛程検出器を含む。残留飛程検出器は、（１）反射防止材料を用いて少なくとも部分的に被覆される第１の表面と、第１の追跡検出器に面する第２の表面とを有するシンチレータ材料と、（２）シンチレータ材料の第１の表面とは異なる第３の表面において、第２の表面に対向してシンチレータ材料に結合される、少なくとも１つの光子検出器とを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１５年５月１９日に出願され、Ａ ＰＲＯＴＯＮ ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＰＲＯＴＯＮ ＴＨＥＲＡＰＹと題された、米国仮特許出願第６２／１６３，４７６号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の全体は、その全体が参照により本明細書中に援用される。

ブラッグピーク現象は、陽子またはイオン等の粒子が、放射線療法のために腫瘍を精密に標的とすることを可能にする一方、健常組織は、ｘ線療法システムと比較したとき、最小線量を受ける。しかしながら、陽子放射線療法は、ブラッグピークに対応する最大線量が意図される組織において堆積されるように、精密な患者整合と、また、初期陽子エネルギーの調節とを要求する。ブラッグピークに対応する最大線量が意図される組織において堆積されるように、陽子ビームの飛程を調節するために、処置計画は、相対的阻止能または水と比較した材料における陽子ビームのエネルギー損失の観点から、特定の患者の３次元マップを要求し得る。

医療撮像システムの一実施形態が、第１の追跡検出器と、第２の追跡検出器とを含む。第１の追跡検出器は、物体が第１の追跡検出器と第２の追跡検出器との間に存在することを可能にするように、第２の追跡検出器から離間される。残留飛程検出器が、第１の追跡検出器に隣接する。残留飛程検出器は、（１）反射防止材料を用いて少なくとも部分的に被覆される第１の表面と、第１の追跡検出器に面する第２の表面とを有するシンチレータ材料と、（２）シンチレータ材料の第１の表面とは異なる第３の表面において、第２の表面に対向してシンチレータ材料に結合される、少なくとも１つの光子検出器とを含む。

図１は、本開示による、陽子線写真法システムを示す。 図２は、より詳細に、ブロック図形態において図１のシステムを示す。 図３は、図１のシステムの追跡検出器の複数の図を示す。 図４は、本開示による、陽子バンチトレインを示す。 図５は、図１のシステムの残留飛程検出器を示す。 図６は、本開示による、複数の光検出器パターンを示す。 図７は、本開示による、第１の検出器配置シミュレーションを示す。 図８は、本開示による、第２の検出器配置シミュレーションを示す。 図９は、本開示による、検出器利得較正システムを示す。 図１０は、本開示による、第１の実験データセットを示す。 図１１は、本開示による、第２の実験データセットを示す。 図１２は、本開示による、追跡平面または検出器シミュレーションを示す。 図１３は、本開示による、第１の位置調節装置を示す。 図１４は、本開示による、第２の位置調節装置を示す。

陽子線写真法システムまたは陽子トモグラフィシステム等の医療撮像システムの実施形態が、説明される。いくつかの実施形態では、陽子線写真法システムが、第１の追跡検出器と、第２の追跡検出器と、残留飛程検出器とを含む。本実施形態では、第１および第２の追跡検出器は、とりわけ、陽子横断位置分解能を有意に改良する一方、陽子線写真法システムの複雑性を低減させる、ファイバ束アーキテクチャを使用する。残留飛程検出器は、とりわけ、陽子残留飛程分解能を有意に改良する一方、全体的残留飛程検出器設計を簡略化する、光収集アーキテクチャを使用する。

第１および第２の追跡検出器において使用されるファイバ束アーキテクチャのいくつかの変形例は、平面基板を利用し、特定の方向に沿って延在する、基板の各側上のシンチレーティングファイバの少なくとも２つの層を含む。より具体的には、基板の片側上のファイバのうちの各１つは、基板の対向する側上のファイバのうちの各１つの方向に垂直である方向に沿って延在する。

束アーキテクチャのいくつかの変形例はまた、（ａ）隣接層束スキームおよび／または（ｂ）側方ストリップベース束スキームを使用する。隣接層束スキームでは、基板の片側上の各層からの１つのファイバが、ファイバダブレットを形成するようにともに束ねられる。側方ストリップベース束スキームでは、基板の各側上のファイバの群またはファイバダブレットが、特定の数のファイバまたはファイバダブレットのストリップまたは区分（例えば、１０個のファイバのストリップまたは１０個のファイバダブレット）にセグメント化またはパーティション化される。いくつかの実施例では、各ストリップの特定のファイバまたはファイバダブレット（例えば、第４のファイバまたは第４のファイバダブレット）が、ともに束ねられ、特定の多アノード光検出器（または他のタイプの光子検出器）の同一のアノードに結合される。

多くの利益および利点が、本技術のファイバ束アーキテクチャから生じる。例えば、従来の陽子線写真法システムと比較したとき、陽子横断位置を分解するために要求される光検出器および電子機器チャネルの数は、実質的に削減されると同時に、陽子横断位置分解能は、０．３ｍｍまたはそれよりも良好なものに近づく。転じて、説明されるファイバ束アーキテクチャは、また、嵩張り、構成要素およびデータ処理の両方のコストの観点から高価である、従来の陽子線写真法システムと関連付けられる問題の多くに対処する。

光収集アーキテクチャに関して、残留飛程検出器は、いくつかの実施例では、バルク片の材料であるシンチレータ材料を含む。残留飛程検出器はまた、シンチレータ材料の表面におけるシンチレータ材料に結合される、少なくとも１つの光検出器を含む。少なくとも１つの光検出器が複数の光検出器を含む場合、それらは、例えば、正方形、長方形、および多角形から選択される単位セルパターンを呈するように配列され得る。加えて、いくつかの実施例では、反射防止材料（例えば、薄フィルム、他のコーティング、またはカバー）が、シンチレータ材料の少なくとも１つの表面（または複数の表面）上に存在する。

多くの利益および利点が、本開示の光収集アーキテクチャから生じる。例えば、従来の陽子線写真法システムと比較したとき、シンチレーション光を収集するために要求される時間量および光収集効率の両方が、実質的に改良されると同時に、残留飛程分解能は、陽子あたり３．０ｍｍまたはそれよりも良好なものに近づく。転じて、開示される光収集アーキテクチャは、また、処置計画プロセス中にマップ再構築にまで波及する陽子残留飛程分解能誤差に悩まされる、典型的な陽子線写真法システムと関連付けられる問題の多くに対処する。

上記の特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを利用する医療撮像システムの例示的実施形態が、以下にさらに詳細に説明される。陽子が以下に説明されるシステムとの併用のための例示的粒子として使用されているが、他の粒子（例えば、ヘリウムイオン、リチウムイオン、ベリリウムイオン、炭素イオン、ホウ素イオン、重陽子を含む、他の元素のイオン）もまた、使用され得る。加えて、陽子線写真法システムが以下に説明されているが、本技術はまた、陽子トモグラフィシステム等の他の医療撮像システムにおいても使用され得る。

図１は、本技術による、陽子線写真法システムの実施形態であるシステム１００を描写する。いくつかの実施例では、陽子（但し、重イオン等の他の粒子もまた、使用され得る）のペンシルビーム１０２（代替として、ブロードビームもまた、本技術の変形例と併用され得る）が、源（図２参照）から生成または抽出され、走査要素（図２参照）によってフィールドを横断して走査される。例えば、ペンシルビーム１０２は、図１では人間の頭である物体１０４の着目領域を横断して走査される。ペンシルビーム１０２が物体１０４に入射する際のその位置は、以下により詳細に説明されるように、陽子が追跡検出器１０６を横断する場所において光子を生成する、追跡検出器１０６からのデータに基づいて判定されることができる。同様に、ペンシルビーム１０２が物体１０４を出射する際のその位置は、追跡検出器１０８からのデータを使用して判定されることができる。追跡検出器１０６および１０８は、物体１０４がその間に位置付けられることを可能にするように離間されることに留意されたい。いくつかの実施形態では、１つの追跡検出器のみが、必要とされる、または２つまたはそれを上回る追跡検出器が、物体１０４の片側または両側上で使用される。追跡検出器１０６および１０８に関する潜在的アーキテクチャが、以下により詳細に説明される。

残留飛程検出器１１０が、追跡検出器１０８に隣接して位置付けられる。残留飛程検出器１１０は、シンチレータ材料１１２（図１に四角形によって表される）を含む。一実施例では、シンチレータ材料は、Ｅｌｊｅｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって販売されるものであり得る。ペンシルビーム１０２の陽子が追跡検出器１０８に面する表面を通してシンチレータ材料１１２に入射する際、陽子がシンチレータ材料１１２との相互作用からエネルギーを損失するため、陽子は、光子１１４（図１に破線によって表される）を生成する。これらの光子は、次いで、追跡検出器１０８に面する表面に対向する、シンチレータ材料１１２の表面上のシンチレータ材料１１０に結合される光子検出器（図２および５）によって収集されることができる。光子検出器の結合が、図１に円１１６によって描写される。光子検出器によって生成される信号は、陽子がシンチレータ材料１１２に入射した際のその残留エネルギーに比例する。陽子の初期エネルギーと陽子が物体１０４に入射してそれから出射した際の陽子の場所とに組み合わせられた本情報は、多くの付加的陽子に関する類似する情報とともに、物体１０４の画像１１８を生成するために使用されることができる。本技術を使用する陽子トモグラフィシステムにおいて、複数の陽子エネルギーおよび／または異なる角度（例えば、１００個の異なる角度）における陽子を使用することによって、３Ｄ画像もまた、生産されることができる。

基準軸１２２は、ペンシルビーム１０２がｚ軸に沿って進行し、追跡検出器１０６および１０８がｚ軸に垂直であることを示すことに留意されたい。以下に説明される図２および３は、同一の基準軸に関して説明される。

図２は、基準軸１２２によって示されるように、付加的詳細とともに、異なる視点から図１のシステム１００を描写する。図２を参照すると、システム１００は、ペンシルビーム１０２を生成または抽出する源２０２を含む。走査要素２０４が、ペンシルビーム１０２を操向するために使用され、走査磁石２０４ａおよび２０４ｂを含む。走査磁石２０４ａは、基準軸１２２に対して画定されるようなｘ方向においてペンシルビーム１０２を走査し、走査磁石２０４ｂ（その第２のものは、図２の視点では隠される）は、基準軸１２２に対して画定されるようなｙ方向においてペンシルビーム１０２を走査する。概して、走査要素１０６は、ペンシルビーム１０２が任意のパターンで、かつ源２０２によって判定されるように、任意の時点で任意の初期エネルギーにおいてフィールドの全体を横断して走査可能であるようにプログラム可能である。本実施例では、源２０２は、ペンシルビーム１０２の陽子の初期エネルギーを制御する、または変動させることが可能である。走査中、フィールドの範囲は、概して、システム１００の第１の追跡検出器１０６、第２の追跡検出器１０８、または残留飛程検出器１１４の平面寸法によって限定される。例示的フィールド面積は、１０×１０ｃｍ^２〜３８．４×３８．４ｃｍ^２を含む。

追跡検出器および撮像されている物体の異なる横断位置における異なる初期エネルギーを使用することによって、残留飛程検出器の深度は、小さく保たれることができる。例えば、初期エネルギーは、特定の経路に沿った物体の厚さまたは密度にかかわらず、撮像されるべきフィールドを横断して０〜１０ｃｍの残留飛程を保つように選定されることができる。可能な初期エネルギーの範囲が広いほど、より小さい残留飛程検出器が、可能であり得る。

追跡検出器１０６に関するアーキテクチャのいくつかの実施例では、ペンシルビーム１０２の陽子が第１の追跡検出器１０６を横断する際、陽子は、基板２０６の両側のファイバと相互作用する。具体的には、基板２０６の各側は、例えば、ファイバの２つの層、すなわち、基板２０６の片側上のファイバ２０８と、その対向する側上のファイバ２１０とを含む。ファイバ２０８および２１０は、陽子がファイバに衝突すると、ファイバのシンチレーティング性質が１つまたはそれを上回る光子を生成させ得るように、シンチレーティングファイバであり得る。これらの光子は、光検出器２１２によって捕捉され、これは、検出された光子に基づいて、電気信号を生成する。電気信号は、コンピューティングシステム２１４に伝送される。光子を生産したファイバ２０８ならびに２１０の場所および配向を把握することによって、追跡検出器１０６を横断した陽子の場所が、コンピューティングシステム２１４によって判定され得る。加えて、コンピューティングシステム２１４はまた、走査要素２０４からのデータを使用し、陽子が追跡検出器１０６を通過した場所を判定または検証し得る。いったんその場所が把握されると、ペンシルビーム１０２の初期方向ベクトルもまた、源２０２の焦点に基づいて判定されることができる。

いくつかの実施例では、ファイバ２０８は、ファイバ２１０に垂直に配向される。光検出器２１２が、陽子がファイバ２０８の１つのファイバおよびファイバ２１０の１つのファイバを通過したことを示し、コンピューティングシステム２１４が、これらの２つのファイバの場所を把握する場合、コンピューティングシステム２１４は、陽子が追跡検出器１０６を横断した、追跡検出器１０６上のＸ−Ｙ座標が、２つのファイバの交差点にあることを判定することができる。加えて、図３に関して以下により詳細に説明されるように、ファイバ２０８のファイバまたはファイバ２１０のファイバが、光検出器２１２において必要とされる検出器の数を削減するためにともに接続される場合、走査要素２０４からのデータまたはそれに送信される命令に基づいてペンシルビーム１０２の推定され、予期される位置は、陽子が追跡検出器１０６を横断したＸ−Ｙ座標を判定する際に使用され得る。

ペンシルビーム１０２の陽子が物体１０４を横断する際、物体１０４におけるペンシルビーム１０２の方向の誇張された変化として図２に描写されるように、陽子は、散乱され得る。陽子が物体１０４から出射した後、陽子が追跡検出器１０８を横断する出射場所は、追跡検出器１０６に関して上記に説明されるものと類似する様式で判定されることができる。追跡検出器１０６と同様に、追跡検出器１０８は、基板２１６上にファイバを含む。具体的には、基板２１６の各側は、例えば、ファイバの２つの層、すなわち、基板２１６の一方の側上のファイバ２１８と、その他方の側上のファイバ２２０とを含む。ファイバ２１８および２２０は、陽子がファイバに衝突すると、ファイバのシンチレーティング性質が１つまたはそれを上回る光子を生成させるであろうように、シンチレーティングファイバであり得る。これらの光子は、光検出器２２２によって捕捉され得、これは、検出された光子に基づいて、電気信号を生成し得る。電気信号は、コンピューティングシステム２１４に伝送される。光子を生産したファイバ２１８ならびに２２０の場所および配向を把握することによって、第１の追跡検出器１０８を横断した陽子の場所が、コンピューティングシステム２１４によって判定され得る。加えて、コンピューティングシステム２１４はまた、走査要素２０４からの情報を使用し、陽子が追跡検出器１０８を通過した追跡検出器１０８上の場所を判定または検証し得る。

いくつかの実施例では、ファイバ２１８は、ファイバ２２０に垂直に配向される。光検出器２２２が、陽子がファイバ２１８の１つのファイバおよびファイバ２２０の１つのファイバを通過したことを示し、コンピューティングシステム２１４が、これらの２つのファイバの場所を把握する場合、コンピューティングシステム２１４は、陽子が追跡検出器１０８を横断した、追跡検出器１０８上のＸ−Ｙ座標が、２つのファイバの交差点にあることを判定することができる。加えて、図３に関して以下により詳細に説明されるように、ファイバ２１８のファイバまたはファイバ２２０のファイバが、光検出器２２２において必要とされる検出器の数を削減するためにともに接続される場合、走査要素２０４からのデータまたはそれに送信される命令に基づいて推定または予期されるペンシルビーム１０２の位置は、陽子が追跡検出器１０８を横断した追跡検出器１０８上のＸ−Ｙ座標を判定する際に使用され得る。

追跡検出器の例示的アーキテクチャが説明されたが、他のアーキテクチャも、可能である。例えば、ファイバが十分にリジッドである場合、ファイバは、基板を使用することを回避するためにともに接合され得る。別の実施例として、追跡検出器１０６に関して、ファイバ２０８および２１０は、基板２０６の同一側上に配置され得る、またはファイバ２０８および２１０は、相互に隣り合って配置される別個の基板上に配置され得る。

ペンシルビーム１０２の陽子が残留飛程検出器１１０に入射する際、それらは、シンチレータ材料１１２に衝突し、光子検出器２２４によって収集される光子を生成する（４つの光子検出器が図２に描写されているが、システム１００は、図１のシンチレータ材料１１２への光子検出器結合を表す円によって示されるように、１６個の光子検出器を含む）。光子検出器２２４は、例えば、光電子増倍管または他の類似するデバイスである。光子検出器２２４は、収集された光子の数に基づいて電気信号を生成し、コンピューティングシステム２１４に提供される電気信号を生成し、これは、合計エネルギー等の値を計算し得る。電気信号と、潜在的に、他の情報（陽子が物体１０４から出射し、追跡検出器１０８を横断したＸ−Ｙ座標等）とに基づいて、コンピューティングシステム２１４は、物体１０４から出射した後にシンチレータ材料１１２に入射したペンシルビーム１０２の陽子に関する残留エネルギーを判定し得る。

陽子は、表面２２６を介してシンチレータ材料１１２に入射する。生成された光子は、光子がシンチレータ材料１１２の表面２２８から出射する際、光子検出器２２４によって収集される。シンチレータ材料１１２の寸法は、陽子が、シンチレータ材料１１２を通過することと対照的に、シンチレータ材料１１２内で停止することを確実にするように選択され得る。これは、ペンシルビーム１０２の陽子が数ナノ秒以内で多数のシンチレーション光子を生成することを確実にする。表面２２６、表面２３０、表面２３２、および／または図２に描写されないシンチレータ材料１１２の他の２つの表面が、いくつかの実施例では、反射防止または光子吸収材料を用いて被覆される（例えば、堆積される、コーティングされる、または隣接して配列される）。例えば、シンチレータ材料１１２の壁は、黒色に塗装される。反射防止材料は、主に、シンチレータ材料１１２の壁から散乱しなかった直接光子が、光子検出器２２４において収集されることを確実にする。反射防止材料は、シンチレータ材料１１２の異なる表面上に異なる材料を含み得る。一実施例では、反射防止材料は、Ｅｌｊｅｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製ＥＪ５１０Ｂ黒色塗料であり得る。反射防止材料は、材料に接触する光子の９０％またはそれを上回るものを吸収し得る。反射防止材料は、システム１００の高速動作を追加する。

複数の光子検出器の使用はまた、陽子が物体１０４から出射した場所に関する付加的位置データを取得する潜在性を提供する。例えば、図１を参照すると、光子検出器が、円１１６（合計１６個）によって示されるように、シンチレータ材料１１２に結合される場合、光子がシンチレータ材料１１２に入射した場所に最も近接する光子検出器が、最も強い信号を生産するはずである。最も強い信号を生産する光子検出器の位置が、追跡検出器１０８および光検出器２２２から生成される信号によって示される位置と相関しない場合、非弾性散乱等の排除されるべき事象が、存在し得る。

図３は、追跡検出器１０６および１０８（図１および２）を実装するために使用され得る追跡検出器の２つの断面を描写する。断面３００は、基準軸１２２に描写されるようなｚ軸およびｘ軸に平行な平面に沿って追跡検出器を描写する。断面３０２は、基準軸１２２に描写されるようなｙ軸およびｚ軸に平行な平面に沿って同一の追跡検出器を描写し、これはまた、断面３００の平面に垂直である。加えて、断面３０２は、断面３００と比較してズームアウトされる。断面３００では、陽子の方向は、経路３０４によって描写されるようなｚ軸に沿う。断面３０２では、陽子の方向は、図の外へ出る。

断面３００に描写されるように、追跡検出器は、それぞれ、一方の側上に２つのファイバの層３０８および３１０と、それぞれ、他方の側上に２つのファイバの層３１２および３１４とを有する、基板３０６を含む。ファイバの層３０８および３１０は、ファイバの層３１２および３１４に垂直に展開される。他のファイバは図から遮断されているため、ファイバの層３０８の１つのファイバおよびファイバの層３１０の１つのファイバのみが、可視である。ファイバの層３１２は、ファイバ３１２ａ−３１２ｈを含み、ファイバの層３１４は、ファイバ３１４ａ−３１４ｈを含む。図３に描写されるように、基板の各側上のファイバの層は、１つの層（例えば、層３１２）のファイバが隣接する層（例えば、層３１４）における２つのファイバ間に位置付けられるように、相互にオフセットされ得る。言い換えると、一方の層におけるファイバは、単一ファイバの幅の約半分だけ、他方の層からオフセットされ得る。本レイアウトでは、１つの層における２つのファイバ間の界面を通して進む陽子はまた、次の層におけるファイバの中間を通して進むはずであり、これは、より高い効率をもたらす。他のアーキテクチャは、付加的ファイバの層または単一のみのファイバの層を有し得る。

隣接する層のファイバは、ともに束ねられることができ、したがって、それらは、単一の光検出器チャネルに接続する。例えば、図３を参照すると、ファイバ３１２ａおよび３１４ａは、ファイバダブレット３１６にともに束ねられることができ、したがって、ファイバ３１２ａおよび３１４ａは、光検出器の単一のチャネルに接続する。いくつかの場合では、束は、ファイバ３１２ａおよび３１４ａの出力がともに検出され得るように、ファイバ３１２ａおよび３１４ａの端部を並列に組み合わせることによって起こる。

複数のファイバまたはファイバダブレットが、論理ストリップ内に編成され得る。例えば、ファイバ３１２ａ−３１２ｄが、４つのファイバダブレットを形成するために、それぞれ、ファイバ３１４ａ−３１４ｄと束ねられる場合、４つのファイバダブレットは、ストリップ３１８として扱われ得る。同様に、ファイバ３１２ｅ−３１２ｈが、４つのファイバダブレットを形成するために、それぞれ、ファイバ３１４ｅ−３１４ｈと束ねられる場合、４つのファイバダブレットは、ストリップ３２０として扱われ得る。ストリップは、６４個のファイバまたはファイバダブレット等、より多くのファイバまたはファイバダブレットを含み得る。

光検出器において要求されるチャネルの数をさらに削減するために、基板３０６の側上のストリップ内に同様に位置付けられるファイバまたはファイバダブレットが、ともに束ねられ、光検出器の単一チャネルに接続され得る。本場合では、ストリップ内の光子を生成したファイバまたはファイバダブレットの場所は、ペンシルビームの予期される場所と組み合わせて、例えば、１ｍｍ^２ファイバを使用するとき、０．３ｍｍ以内まで正確にペンシルビームの位置を特定するように使用されることができる。例えば、ペンシルビームの予期される場所は、陽子があるであろう予期されるストリップを判定するために使用されることができ、光子を生産するファイバまたはファイバダブレットは、陽子のストリップ内の場所を識別するために使用されることができる。

上記に説明される２つのタイプの束（すなわち、異なる層の隣接するファイバを束ねることおよび異なるストリップのファイバまたはファイバダブレットを束ねること）は、本技術の異なる変形例においてともに、または別個に使用されることができる。

断面３０２は、ストリップ３１８、３２０、３２２、および３２４を描写し、そのそれぞれは、複数のファイバダブレットを含む。例えば、ストリップ３１８は、上記に説明されるように、ファイバ３１２ａ−３１２ｄおよびファイバ３１４ａ−３１４ｄから作製される４つのファイバダブレット（例えば、ファイバダブレット３１６）を含む。同様に、ストリップ３１８は、ファイバダブレット３２６を含み、ストリップ３２０は、ファイバダブレット３２８を含み、ストリップ３２２は、ファイバダブレット３３０を含み、ストリップ３２４は、ファイバダブレット３３２を含む。ファイバダブレット３１８、３２０、３２２、および３２４は、ストリップ３１８、３２０、３２２、および３２４内の同一の位置に位置するため、これらのファイバダブレットの出力は、ともに束ねられ、単一チャネル（すなわち、チャネル３３６）を介して光検出器３３４に接続され得る。光検出器３３４は、追跡検出器のストリップ内に同一の位置を有する、ファイバダブレットの群にそれぞれ接続されるいくつかのチャネル（図示せず）を含む。光検出器３３４は、光検出器３３４のチャネル（例えば、チャネル３３６）によって受信されるような追跡検出器のファイバ内に生成される光子を表す、電気信号をコンピューティングシステム３３８に提供する。

追跡検出器の例示的アーキテクチャが図３に説明されたが、同一の束アーキテクチャは、他の構成の追跡検出器においても使用され得る。例えば、図３の追跡検出器に関して、ファイバが十分にリジッドである場合、ファイバ層３０８、３１０、３１２、および３１４は、基板を使用することを回避するために、ともに接合され得る。別の実施例として、ファイバ層３０８および３１０は、基板３０６のファイバ層３１２および３１４と同一の側上に配置され得る。別の実施例では、ファイバ層３０８および３１０は、ファイバ層３１２および３１４とは別個の基板上に配置され得、２つの基板は、相互に隣り合って配置され得る。

図４は、それによって個々の陽子４０２ａ−ｄが、ＲＦ（無線周波数）加速場を表す正弦曲線４０４上に重ね合わせられる、陽子バンチトレイン４００を図示する。いくつかの実施例では、１つを上回る陽子（例えば、陽子４０２ｃ−ｄ）を伴うバンチは、画像分析またはマップ再構築のために排除されるが、依然として、放射線量に寄与するであろう。隣接するサイクルにおけるバンチ（例えば、陽子４０２ａ−ｂ）は、残留飛程検出器が直後のサイクルにおいて衝突する陽子を検出するように時間内に元に戻る場合、画像分析またはマップ再構築のために使用され得る。

図５は、図１−２のシステム１００の残留飛程検出器１１０を実装するために使用され得る、残留飛程検出器５００を描写する。残留飛程検出器５００は、いくつかの実施例では、バルクシンチレータ材料である、シンチレータ材料５０２を含む。シンチレータ材料５０２は、シンチレータ材料５０２内に生成される光子のための反射防止表面を提供する、封入体５０４内に含有され得る。代替として、シンチレータ材料５０２はまた、シンチレータ材料５０２の表面（例えば、表面５０６）上に堆積される反射防止コーティング（例えば、薄フィルム）を有し得る。光子５０８が、経路５１０に沿ってシンチレータ材料５０８に入射する陽子によって、シンチレータ材料５０２内に生成される。直接光子のみが、光子検出器５１２によって収集され、これは、光収集効率および速度を増強する。

図６は、図２のシンチレータ材料１１２に結合される光子検出器の複数の単位セルパターンを図示する。光子検出器の結合場所は、円６２０によって示される。実施例６０２のパターンは、正方形単位セルパターン６０４である。実施例６０６のパターンは、長方形単位セルパターン６０８である。実施例６１０のパターンは、多角形単位セルパターン６１２である。実施例６１４のパターンは、単一の検出器のみが存在する正方形パターン６１６である。トレードオフが、どのパターンが選択されるかを左右し、例えば、非常に高い精度が要求され、コストおよび嵩高さが問題ではない場合、多角形単位セルパターン６１２が、選択され得る。

図７は、残留飛程検出器７００と、シンチレータ材料と相互作用する陽子によって生成される、シミュレートされた生成された光子７０２とを描写する。円７０４は、シンチレータ材料に結合される光子検出器の場所を描写する。光子検出器は、ある数の生成された光子７０２を捕捉し、捕捉された光子の数を表す対応する電気信号を生産する。残留飛程検出器７００の収集効率は、陽子がシンチレータ材料に入射した場所に基づいて変動する。より低い収集効率は、陽子の残留飛程においてより高い不確定性をもたらし得る。例えば、残留飛程検出器７００の象限に関するデータを表す、グラフ７０６の不確定性データに関して、（ｘまたはｙ軸に沿って中心から遠い）シンチレータ材料の縁における収集効率は、シンチレータ材料の側が反射防止性であるため、より低い。これは、残留飛程検出器７００の縁に近接する残留飛程に関してより高い不確定性をもたらす。グラフ７０６はまた、光子検出器がシンチレータ材料に結合されている場所の間において陽子がシンチレータ材料に入射するとき、より高い不確定性が生じ得ることを示す。

図８は、残留飛程検出器８００と、異なる構成の光子検出器（図示せず）を用いてシミュレートされた生成された光子８０２とを描写する。光子検出器がシンチレータ材料に結合される場所を表す円８０４の場所によって分かり得るように、残留飛程検出器８００内の光子検出器は、図７の残留飛程検出器７００においてよりも近接してともに離間される。グラフ８０６の残留飛程不確定性において分かり得るように、残留飛程検出器８００内で密接に離間された光子検出器は、図７の残留飛程検出器７００と比較して、残留飛程検出器８００の中心に入射する陽子の残留飛程をより少ない、かつより均一な不確定性で判定することができる。しかしながら、残留飛程検出器８００の縁における不確定性は、図７の残留飛程検出器７００の縁における不確定性よりも高い。

それぞれ、図７および８の残留飛程検出器７００および７００間の性能における差異は、残留飛程検出器が有利な仕様に従って構成され得ることを示す。高正確度および広い検出フィールドに関して、多数の密接に離間された光子検出器が、必要とされ得る。しかしながら、わずかにより低い正確度が許容可能である場合、より少ない数のより広く離間された光子検出器が、コストおよび複雑性を低減させるために使用され得る。

図９は、いくつかの実施例では、シンチレータ材料９０２と、光子検出器９０４とを有する残留飛程検出器（図１および２のシステム１００の残留飛程検出器１１０等）を較正するために使用される、検出器利得較正システム９００を示す。較正システムはまた、パルス発生器９０６と、ＵＶ ＬＥＤ９０８と、フォトダイオード９１０と、拡散器９１２とを含む。他の例示的較正システムでは、拡散器は、使用されない場合がある。

一実施例では、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の４×４アレイの光子検出器を使用する残留飛程検出器では、各ＰＭＴは、ＰＭＴ＿ｉｊと標識化され、ｉおよびｊは、各ＰＭＴの行および列である。アナログ加算電子機器を使用して、１６個の入力信号から３つの出力信号を形成する。これは、１６個の代わりに、３つのチャネルがデジタル化チャネルになることを可能にし、これは、電子機器のコストおよびデータ量における大幅な節約となる。３つの出力信号は、合計エネルギー信号Ｅおよび（行−列座標ではなく）対角方式座標に関する２つの位置依存性信号である。

１．Ｅは、１６個のＰＭＴ信号の合計である。

２．Ｕは、３×ＰＭＴ＿０３＋２×ＰＭＴ＿１２＋…．．−３×ＰＭＴ＿３０である。

３．Ｖは、３×ＰＭＴ＿００＋…．−３×ＰＭＴ＿３３である。

４．随意に、Ｃは、中央ＰＭＴの合計であり、Ｃ＝ＰＭＴ＿１２＋２１＋１１＋２２である。本出力信号は、例えば、デジタイザチャネルが対になり、余剰チャネルが利用可能である場合、使用され得る。

陽子残留飛程を再構築するための手順は、２つのステッププロセスを伴う。

第１のステップは、図９に示されるように、ＬＥＤパルス化を伴うフォトダイオードに対する個々のＰＭＴの利得を設定および維持することである。フォトダイオードは、任意の前置増幅器の温度および利得安定性を確実にするように注意が払われている限り、安定したユニティ利得を伴う便宜的な基準を提供する。いくつかの場合では、ＰＭＴ利得は、相互の約２５％以内である。これは、検出された光子の数からの統計的誤差においてわずかな増加を引き起こし得る。ＰＭＴの利得は、フォトダイオードに対して固定された値に個別に設定および維持され得る。

残留飛程検出器９００の光収集効率は位置依存性であるため（図７および８に関する議論参照）、Ｅは、シンチレータ材料９０２内の陽子飛跡のＸおよびＹ位置に関して補正され得る。さらに、特定の位置における陽子飛跡に関してＥ、Ｕ、およびＶ間に変動および相関が存在し、最適な再構成が、これらを考慮し得る。

第２のステップは、Ｘ、Ｙ、および残留飛程Ｒの３Ｄグリッドにおいて陽子を用いて編成される、較正データセットを取得することである。いくつかの実施例では、全ての３つの座標に関して０．５ｃｍのグリッド間隔が、使用される。ＸおよびＹは、追跡システムから判定されることができ、各グリッド点の中心から約０．５ｍｍ以内の事象が、選択され得る。Ｘ、Ｙ、およびＲによって標識化されるグリッド点毎に、平均Ｅ、Ｕ、およびＶ、ならびに３Ｄ共分散マトリクス（随意に、Ｃが、４Ｄ共分散マトリクスのために含まれることができる）が、後で使用するための較正データとして保存され得る。

測定されたＸ、Ｙ、Ｅ、Ｕ、Ｖを伴う個々の陽子に関して、データのグリッドは、残留飛程を再構築するために使用されることができる。仮定された残留飛程に関して、以下のステップが、使用され得る。

１．平均Ｅ、Ｕ、およびＶ、ならびに共分散マトリクスを最初に飛跡の測定されたＸおよびＹに補間し、次いで、仮定されたＲに補間する。

２．測定されたＥ、Ｕ、およびＶを使用して、カイ二乗を形成する。

３．最小カイ二乗を用いて仮定されたＲを見出す。

図１０は、本技術による、残留飛程検出器（例えば、図１および２の残留飛程検出器１１０に類似する残留飛程検出器）に関する実験結果をグラフ１０００に描写する。ｍＶの観点から測定されたパルス高は、陽子の残留飛程との略線形な相関を示す。グラフ１０００の結果を生産した残留飛程検出器は、１０×１０×１０ｃｍ^３の活性体積のプラスチックシンチレータと、２×２アレイのＰＭＴとを含んでいた。

図１１は、図１１のデータを生産した同一の実験における陽子の１つの飛程設定におけるパルス高の拡散に関するデータを含有する、グラフ１１００を描写する。曲線１１０２は、１つのＰＭＴからの信号である。曲線１１０４は、合計エネルギー信号である。

図１２は、追跡平面または検出器シミュレーションに関するデータのグラフ１２００を描写する。グラフ１２００は、２つの追跡検出器が使用されると、横断位置不確定性がより低くなる（分解能がより良好である）ため、２つの追跡平面（追跡検出器１０６は、「１つの」追跡平面と見なされるであろう）を使用することが、１つを使用することよりも良好であることを示す。曲線１２０２は、水の１０ｃｍ後ろに位置付けられる１つの追跡平面に関する。曲線１２０４は、水の１０ｃｍ後ろに位置付けられる２つの追跡平面に関する。曲線１２０６は、水の１０ｃｍ後ろに位置付けられる１つの追跡平面に関する。曲線１２０８は、水の１０ｃｍ後ろに位置付けられる２つの追跡平面に関する。グラフ１２００から分かり得るように、１つの追跡平面とは対照的に、２つの追跡平面を使用することには、いくつかの利益が存在し得る。図１のシステム１００に関して、２つの追跡平面を使用することは、例えば、物体１０４の片側または両側上で２つの追跡検出器を使用することに対応し得る。いくつかの場合では、ペンシルビームが使用されるとき、入力方向が検出される陽子位置の関数として把握されるため、上流側上の１つの追跡平面のみが、必要である。

図１３は、図１および２のシステム１００のいくつかの構成要素を搭載するために使用され得る、例示的支持体構造１３００を描写する。例えば、支持体構造１３００は、基部１３０２と、軌道１３０４とを含む。図１および２の追跡検出器１０６に対応し得る追跡検出器１３０６が、軌道１３０４上に搭載され得、したがって、追跡検出器１３０６は、基部１３０２に沿って移動可能である。追跡および残留飛程検出器１３０８は、追跡検出器（図１および２の追跡検出器１０８等）と、残留飛程検出器（図１および２の残留飛程検出器１１０等）とを含む。追跡検出器１３０６のように、追跡および残留飛程検出器１３０８は、軌道１３０４上に搭載され、したがって、追跡および残留飛程検出器１３０８は、基部１３０２に沿って移動可能である。追跡および残留飛程検出器１３０８はまた、２つの固有の構成要素に分離され得る。

図１４は、支持体構造１３００のための搭載システム１４００を描写する。搭載システム１４００は、搭載アーム１４０２と、搭載基部１４０４とを含む。いくつかの実施例では、搭載アームおよび／または搭載基部１４０４は、追跡検出器１３０６と追跡および残留飛程検出器１３０８との間の物体の処置または撮像のために有用であるように、支持体構造１３００を異なる位置に位置付けるように調節可能または制御可能である。他の例示的搭載システムは、物体が撮像されている角度を回転させる能力を含むことができる。これらのシステムを用いて、本技術のいくつかの実施形態は、物体についての３Ｄデータを生産するトモグラフィ撮像システムを実装するために使用されることができる。

本技術の開示される検出器のいくつかの実施形態は、同一物が、設備がブラッグピークの効果を完全に実現する最適な処置を効率的かつ確実にもたらすことを可能にするであろうため、陽子放射線療法の実践を一変させることができる。上記に言及されるように、ブラッグピークは、陽子またはいわゆる重イオン等の粒子が、放射線療法のために腫瘍を精密に標的とすることを可能にする一方、従来の放射線療法と比較したとき、健常組織をより少ない線量に暴露する。しかしながら、陽子放射線療法は、陽子ビームが腫瘍内で停止するよう患者内で正しい飛程を有するように、精密な患者整合および陽子初期エネルギーの調節を要求する。陽子ビームの飛程を調節するために、処置計画は、相対的阻止能または水と比較した材料におけるビームの陽子のエネルギー損失の観点から、患者の３次元マップを使用する。典型的には、そのようなマップは、ｘ線コンピュータトモグラフィ走査から取得されるが、しかしながら、ｘ線吸収ユニット（Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ）を相対的阻止能に変換する際に不確定性または誤差が存在し、患者不均質性が、付加的不確定性を導入する。さらに、金属インプラントまたは他の高密度材料が、シャドウイングアーチファクトおよびストリーキングを引き起こし得る。

陽子技術は、未成熟であり、不確定性マージンは、多くの場合、現代の光子療法に関するものを上回る。したがって、整合不確定性を低減させ、より多くの陽子方向を使用するより複雑な処置を可能にし、処置毎に腫瘍により多くの線量を送達し、１．０ｍｍ飛程内等の精度まで飛程不確定性を低減させる明確な必要性があることが想定される。頻繁な撮像を使用するそのような改良は、従来の放射線療法に対して陽子療法のコスト効果を改良するために、患者スループットにおける改良が付随するべきであると想定される。陽子療法設備を構築および保守するための有意な費用が、主要な不利点として認識されており、これは、よりコンパクトなシステムおよび単一部屋選択肢の開発によって、最近になって低減されている。新しい撮像技術は、複雑性および費用を追加するのではなく、患者オペレーションを合理化および簡略化するように陽子療法システムにシームレスに統合されるべきであると想定される。本技術の実施形態の特徴または側面は、そのような利益およびさらなる利益を提供し得る。

例えば、本技術の検出器の実施形態は、患者の前および／または後の個々の陽子の横断位置を測定するための少なくとも１つの追跡検出器と、患者内に吸収される陽子エネルギーを判定するための残留飛程検出器とを活用し得る。陽子線写真法は、単一の投影角度を伴う２次元画像を生産し、ｘ線吸収能ではなく、患者を通して陽子飛程を直接定量化する。デジタル的に再構築された放射線写真が、以前のｘ線コンピュータトモグラフィ走査から導出され、陽子線写真と比較され、相対的阻止能マップおよび患者整合を検証および改良することができる。対照的に、陽子コンピュータトモグラフィは、多くの投影角度から多くの陽子履歴を取得し、高度な反復再構築アルゴリズムを提供することによって、患者の３次元相対的阻止能マップを測定する。陽子コンピュータトモグラフィは、陽子線写真法と同一または類似する検出器技術を活用し得るが、陽子コンピュータトモグラフィは、典型的には、さらなる動作複雑性を有し、より大きなデータ量を生産し、全ての方向において患者を横断するために十分に高い陽子エネルギーを使用する。加えて、本技術の検出器の実施形態は、患者を横断するために十分なエネルギーを伴う陽子を使用して２次元画像を生産する陽子線写真法システムを商品化するために活用され得る。後続放射線処置が、腫瘍内で終端するより低エネルギーのより高強度のビームを使用する。撮像および処置の両方のための陽子ビームの使用は、患者設定および品質保証手技を合理化し、整合不確定性を低減させ、飛程不確定性を低減させる。

現在、放射線療法は、毎年癌と診断される１，６００万人のアメリカ人の５０％を上回る人に必要とされている。Ｍａｙｏ Ｃｌｉｎｉｃからの控えめな推定では、米国内の毎年１３７，０００人の新たな癌患者が、陽子療法から利益を享受し得るが、現在のキャパシティを優に上回る。陽子放射線療法は、潜在的に、大量の正常組織を低から中程度の放射線量から免れさせ、内臓へのリスクを回避することができる。これは、晩発的影響を低減させ、生活の質を向上させ、特に、高治癒率および長期生存期間を伴う患者に対して重要である。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｏｎｃｏｌｏｇｙによって発行された方針綱領は、陽子ビーム療法が、多数の小児患者、特に、脳腫瘍を伴う患者において、ならびに重要構造に近接近する高線量を要求するある成人癌にとって特に有用であることを確認する科学的根拠を引用している。乳房、前立腺、および肺等の他のより一般的な癌疾患部位に関する付加的研究が、米国内の陽子療法施設から全ての３つの疾患部位における患者を集める臨床治験によって進行中である。現在、合計５６の処置室を伴う１６の陽子療法施設が、米国内で稼働しており、それを上回る多くのものが、開発中である。本技術の実施形態の検出器は、患者毎に個別に調整されるブロードビームではなく、急速に標準になりつつあるペンシルビーム走査を使用する全ての処置室における日常使用のために適合される潜在性を有する。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、非複雑性であり、軽量であり、大きいフィールドサイズに容易にスケール変更され、患者スループットにおける障壁を回避するように高速で動作し、患者を所与の分解能に対して最小可能線量に暴露する。陽子線写真法は、嵩張る設計に起因して現在日常的に使用されておらず、臨床環境に組み込むことが高価かつ困難である。代替は、患者の後方の単一検出器平面を使用し、陽子エネルギーを変動させ、患者を通した飛程を見出すことであると想定される。しかしながら、本アプローチの欠点は、例えば、殆どの陽子が測定に寄与しないための陽子線量の非効率的な使用、陽子が追跡されないための空間分解能不良、および撮像のためにブロードビームを使用することによって、ペンシルビーム走査システムの場合に処置と同一のビームシステムを使用しないことを含む。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、高速シンチレーション検出器技術を活用し、高性能設計は、非複雑性かつモノリシックであり、それによって、構築コストを削減する。例えば、低チャネル数が、電子機器開発コストを最小限にするために活用され、陽子あたり３．０ｍｍまたはそれよりも良好な残留飛程分解能が、達成される。本レベルでは、飛程分解能は、典型的な患者寸法に関する検出器測定値ではなく、固有の飛程変動によって左右される。これは、画像を形成するために多くの陽子からの測定値を平均化する、陽子線写真法の好ましい線量性能を達成するために有用である。１．０μＧｙ（マイクログレイ）と同程度に低い線量が、正方形ピクセル毎に１．０ｍｍの水等価経路長（ＷＥＰＬ）における分解能のために可能である。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、毎秒最大１，０００万個の陽子の測定を可能にし、１０ナノ秒と同程度に近くで個々の陽子を分解する。加速器システムが、図３に図示されるように、そのＲＦキャビティの周波数における陽子バンチを送達し、ＲＦ周波数は、１００ＭＨｚと同程度に高い。撮像のための低強度ビームの場合では、殆どのバンチは、空であり、残りのバンチは、単一の陽子を含有するであろう。１０ＭＨｚの陽子ビームが、１００ナノ秒の平均値だけ分離された陽子を有し、ランダムな分離分布が、時間において１０ナノ秒と同程度に近いであろう。図３と関連して上記に留意されるように、バンチのごく一部が、２つまたはそれを上回る陽子を有するであろう。これらは、分析のために排除され得るが、依然として、線量に寄与するであろう。有利なこととして、そのような速度は、実施例として、２０×２０ｃｍ^２のフィールドが、正方形ピクセル毎に１ｍｍのＷＥＰＬにおける分解能を伴う１秒未満のビーム時間で撮像されることを可能にする。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、特に、ペンシルビーム走査システムに対して有利である。ペンシルビームは、検出器の同一領域に連続的に当たる陽子をもたらし、高事象率能力を達成する課題を追加する。さらに、撮像および処置の両方のためのペンシルビームの使用は、例えば、ブロードビームを用いた撮像と比較して、整合および品質保証のために非常に強力であろう。さらに、ペンシルビーム位置設定情報は、位置再構築に冗長性を追加することができ、これは、核散乱または他の問題を伴う事象を排除するために有用である。さらに、ペンシルビーム走査システムは、以前のｘ線コンピュータトモグラフィ走査から取得されるように、その領域において推定される飛程に基づいて、陽子線写真のためのフィールドを領域毎に異なる陽子エネルギー設定を伴う領域に分割するために使用されることができる。これは、ビームが患者を横断して走査する際、本システムが陽子に関する低残留飛程を維持することを可能にし、例えば、残留飛程検出器が、１０．０ｃｍまたはそれを下回るもの等、より薄くなり、処置面積において重量および体積を節約し、読出をより容易にし得ること、陽子に関するより低い合計飛程が、線量に対して飛程分解能のためにより最適であり、より低い飛程がまた、核相互作用に対するより少ない陽子損失をもたらし、これがまた、所与の画像品質に対してより低い線量をもたらすことを含む、いくつかの利益を有する。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、開示される追跡検出器において０．３ｍｍまたはそれよりも良好な横断位置分解能または「ヒット」分解能を可能にする。物質内の陽子の連続的多重散乱は、空間分解能を限定する。患者の前後で陽子横断位置を測定することは、患者を通した経路上の典型的な不確定性を０．５ｍｍの深度の関数とすることを可能にし、ヒット分解能に関する基準を設定することができる。多重散乱は、より低エネルギーの陽子の可能性が高く、したがって、残留飛程を限定するためにより低いエネルギーの陽子を使用する方略は、飛程分解能および実用性に関して最適であるが、空間分解能に関して潜在的な欠点を有する。飛程分解能が、典型的には、優先されるが、余剰空間詳細を必要とする患者に対する回避策は、飛程検出器の前に付加的受動材料を伴うより高エネルギーのビームを使用することであろう。分解能および線量のトレードオフは、次いで、標準アプローチと類似するであろう。

いくつかの実施例では、本開示の残留飛程検出器は、長方形体積のシンチレータを備え、広い面積の光電子増倍管のアレイが、陽子ビームの下流側上に搭載される。陽子は、シンチレータ内で停止し、数ナノ秒以内に多数のシンチレーション光子を生成する。高速信号を取得するために、光電子増倍管によって占有されていない側は、光子を吸収するための反射防止材料を用いて塗装または被覆され、光電子増倍管は、壁から散乱しなかった直接光子のみを収集する。光電子増倍管からの信号は、合計エネルギー信号を生産するように合計されるだけではなく、Ｘ位置信号およびＹ位置信号を生産するように重み付けされ得ることが想定される。また、事象あたり３つの信号（合計エネルギー、Ｘ位置、Ｙ位置）のみを記録することによって、電子機器コストおよびデータ量における主要な利点が、達成または実現される。直接光子収集の高速度は、シンチレーション光を収集するためにはるかに多くの時間がかかり、最終的に、パルス高対残留飛程傾向における非線形性に起因して、マップ再構築において誤差を導入する反射表面を伴う従来の設計と比較して、別の主要な利点である。モノリシック設計は、測定値の残留飛程を限定する方略と組み合わせられて、重量を削減し、線量を最適化する主要な利点を有する。別の利益として、位置測定値が、残留飛程検出器から取得され、非弾性散乱等の問題を伴う事象を排除するために有用な余剰冗長性を追加する。

少なくとも図１０−１１に図示されるように、１０×１０×１０ｃｍ^３の活性体積のプラスチックシンチレータと、２×２アレイの光電子増倍管とから成る残留飛程検出器と、ペンシルビームとを用いた結果が、取得された。残留飛程に対する合計エネルギー信号のパルス高の依存性は、光子生産および収集効率の畳み込みの結果であり、略線形である。各飛程設定におけるパルス高の狭い拡散は、飛程分解能目標が達成されたことを示す。加えて、少なくとも図５に図示されるように、パルス化発光ダイオードが、光電子増倍管利得較正のために使用され得る。そのような技法は、非常に安定したフォトダイオードと比較することによって、一定の利得を維持するために使用され得る。

本開示の追跡システムは、少なくとも図４に図示されるように、シンチレーティングファイバおよび多アノード光電子増倍管に基づく。いくつかの実施形態では、１．０ｍｍ^２のファイバが、使用され、ＸおよびＹ座標に関して、それぞれ、２つの層を伴う。異なる層において隣接するファイバが、単一の光電子増倍管チャネルに束ねられ、陽子が、視野あたりわずか１チャネルにおいて検出され得る。ある下地材料とともに、各追跡平面または検出器の合計幅は、約０．５ｃｍであり得、約０．３ｍｍの典型的なヒット分解能を提供し得る。３８．４×３８．４ｃｍ^２のフィールドサイズが、いかなる間隙も伴わない全フィールドカバレッジを可能にし得る。他の実施例も、可能であり、各実施例は、特定実装であり得る。

開示されるようなペンシルビームおよび位置感受性飛程検出器を使用することは、例えば、トラッカを側方に、ＸおよびＹに関する直交方向に、幅が３．２ｃｍのストリップにセグメント化することによって、従来の設計に対して、光センサおよび電子機器チャネルの数を１２分の１に削減することを可能にする。ファイバは、異なるストリップ内の同一の位置から、単一の光電子増倍管アノードに束ねられる。追跡システムは、ストリップ内の位置を精密に測定し、ペンシルビーム設定または陽子線写真からの情報が、次いで、陽子がどのストリップ内にあったかを示すであろう。いくつかの実施形態では、単一のＸ−Ｙ追跡平面に関するチャネルの合計数は、６４チャネルであり得、単一の多アノード光電子増倍管を用いて読み出されることができる。閾値検出アルゴリズムに基づいて、所与の事象に関してヒットするチャネルのみが、記録される必要がある。パルス幅は、約１０ナノ秒であり得る。比較して、１０ＭＨｚのペンシルビームに関して、ビーム内のファイバに関するヒット間の平均時間は、約１，０００ナノ秒であろう。したがって、低重複確率が、達成される。

ＷＥＰＬの観点からの追跡平面の厚さが、トレードオフであり、シンチレーティングファイバ間にいかなる間隙も伴わない大きいフィールドサイズに拡張可能である、本開示の非複雑性高速システムに関して、価値のあるトレードオフである。トレードオフは、所与の分解能に関してわずかに高い線量を伴い、相対的線量増加は、撮像されるべき物体を含む、相対的材料増加とほぼ同一である。例えば、余剰の１ｃｍの追跡材料は、２０ｃｍの物体を撮像するために線量を５％だけ増加させるであろう。将来的により最適化された設計を用いて、２％または３％を得ることが、可能であり得る。しかしながら、はるかに大きい利得が、上記に説明されるように、残留飛程測定のための方略を最適化することによって可能である。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、最大１０ＭＨｚの平均陽子速度、ならびに２０ナノ秒と同程度に少ない時間内に、またはそれを下回る時間内に分離された陽子の飛程および位置の測定において活用される。検出器が隣接するバンチにおける事象を分解できない場合、これらの事象は、破棄される必要があり、所与の画像品質に関して線量をわずかに増加させるであろうことが想定される。加えて、光電子増倍管の利得は、低飛程事象に対して良好な信号対雑音を取得するために十分に高くなるべきであるが、特に、１０ＭＨｚにおいて動作するとき、高飛程（高いパルス高）事象に対して光電子増倍管の電流限界内に留まるために十分に低くなるべきであることが想定される。

本技術の検出器のいくつかの実施形態は、感受性検出器面積を横断して３．０ｍｍまたはそれよりも良好なＷＥＰＬにおける陽子あたり分解能を実証するために活用される。これは、患者への線量に対する陽子飛程分解能を最適化するための重要な仕様である。あまり良好ではない分解能も、依然として、機能的であろうが、患者への増加された線量をもたらすであろう。画像が、１ｍｍまたはそれよりも良好な分解能を取得するために、多くの陽子測定値を平均化するであろう。安定した光電子増倍管利得が、そのような分解能を達成するために重要であり得る。頻繁かつ効率的な較正方略および代替光電子増倍管選択肢が、考慮され得る。

本技術の検出器の実施形態は、良好な空間分解能を維持するために、０．３ｍｍの横断位置分解能を用いて、追跡平面あたり９７％を上回る陽子検出効率を実証するように活用され得る。検出されない陽子は、画像分解能を改良することなく線量を増加させる。検出効率が十分に高くない場合、光収率が、設計を通して増加され得る。代替は、付加的材料を追跡検出器に追加する欠点を伴う、より厚いシンチレーティングファイバを使用すること、広い面積を伴うシリコン光電子増倍管センサが、アクセス可能であり、より高い量子効率を用いて、多アノード光電子増倍管の代替となり得ることを含む。

較正に関して、ＬＥＤパルス化が、フォトダイオードに対して光電子増倍管利得を維持する。フォトダイオードは１．０の利得で非常に安定しているため、図７の概念は、非常に効果的である。陽子ビームデータが、次いで、合計エネルギー信号、ｘ位置信号、およびｙ位置信号を較正するために使用される。較正データは、フィールドおよび陽子残留飛程を横断する横断位置の３次元グリッドにおいて取得され得る。データは、測定された合計エネルギー信号、ｘ位置信号、およびｙ位置信号の座標を伴う次元グリッドにおいてビン分割されることができる。ビン毎に、平均の真のエネルギー、ｘ位置、およびｙ位置が、記憶される。任意の事象に関して、次元グリッドは、ルックアップテーブルとして使用され、有用である場合、測定された量から真の量を補間することができる。

本開示の残留飛程検出器の性能に関して、測定値は、陽子の停止点であるため、飛程スタックが、本質的に、測定値における飛程ストラグリングを追加する。同様に、セグメント化された熱量計が、陽子が停止するセグメントの前のセグメントにおける材料から飛程ストラグリングを追加する。本開示の残留飛程検出器のモノリシック設計は、測定値の残留飛程を限定する方略と組み合わせられて、残留飛程測定値が、飛程検出器自体の材料によってではなく、陽子が患者から出射するときの飛程ストラグリングによって限定されている可能性等のいくつかの利点を有する。飛程分解能が向上するにつれて、送達される線量が２乗に比例して減少するため、これは、有意な影響を及ぼし得る。また、残留飛程を限定することは、核散乱に失われる陽子の割合を低減させ、再び、線量性能を改良する。また、別の利益として、残留飛程検出器における位置測定値が、取得され、例えば、核散乱を排除するために有用な余剰冗長性を追加する。

陽子線写真法対陽子コンピュータトモグラフィに関して、陽子線写真法は、患者を通して飛程をチェックする一方、陽子コンピュータトモグラフィは、潜在的に、腫瘍への飛程を直接測定する。陽子コンピュータトモグラフィは、はるかに多くのデータ、ビーム時間、分析、動作複雑性、および全ての方向から撮像するために十分に痩身の患者を使用する。臨床医との対話を通して、実践的飛程チェックが非常に有用であり、長期の陽子コンピュータトモグラフィ開発よりも優先順位が高いことが見出されている。陽子線写真法のための方略は、例えば、処置計画のためにｘ線コンピュータトモグラフィ走査に継続して依拠すること、計画されたフィールド毎に、整合および飛程チェックのために実際の陽子線写真と比較されるその方向から予期される陽子線写真を示すシミュレーションを前もって準備すること、所望される場合、処置方向に加えて、付加的方向からの飛程チェックが行われ得ること、患者が処置方向において過度に厚い場合、飛程チェックおよび整合が、別の方向から可能であり得ること、患者が全ての方向から過度に厚い場合、整合チェックが、依然として、患者の縁を使用して可能であること、飛程チェックが合格する場合、腫瘍への飛程における誤差が、腫瘍の後方の欠損と合致する腫瘍の前の余剰物質によって、予期せぬキャンセルを伴う必要があるであろうことを含み得る。

上記に議論される方法、システム、およびデバイスは、実施例である。種々の構成が、必要に応じて、種々の方法ステップまたは手順、またはシステム構成要素を省略、代用、または追加し得る。例えば、代替構成では、本方法は、説明されるものとは異なる順序において実施され得る、および／または種々の段階が、追加され、省略され、および／または組み合わせられ得る。また、ある構成に関して説明される特徴は、種々の他の構成において組み合わせられ得る。本構成の異なる側面および要素が、類似する様式で組み合わせられ得る。また、技術は、進歩しており、したがって、要素の多くは、実施例であり、本開示または請求項の範囲を限定しない。

本説明は、例示的構成のみを提供し、請求項の範囲、可用性、または構成を限定しない。むしろ、本構成の前述の説明は、当業者に説明される技法を実装することを可能にする説明を提供するであろう。種々の変更が、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、要素の機能および配列において成され得る。

また、構成が、フロー図またはブロック図として描写されるプロセスとして説明され得る。それぞれは動作を連続的プロセスとして説明し得るが、動作の多くは、並行して、または同時に実施されることができる。加えて、動作の順序は、再配列され得る。プロセスは、図に含まれない付加的ステップを有し得る。さらに、本方法の実施例は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組み合わせによって実装され得る。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードにおいて実装されるとき、タスクを実施するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、非一過性記憶媒体等の非一過性コンピュータ可読媒体内に記憶され得る。いくつかの実施例では、１つまたはそれを上回るプロセッサが、説明されるタスクを実施する。

さらに、本明細書に説明される例示的実施形態は、ネットワーク化コンピューティングシステム環境内のコンピューティングデバイス内の論理動作として実装され得る。論理動作は、（ｉ）コンピューティングデバイス上で起動する一連のコンピュータ実装命令、ステップ、またはプログラムモジュールおよび（ｉｉ）コンピューティングデバイス内で起動する相互接続された論理またはハードウェアモジュールとして実装され得る。

本主題は、構造的特徴および／または方法論的行為に特有の言語で説明されたが、添付される請求項に定義される主題は、必ずしも、上記に説明される具体的特徴または行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記に説明される具体的特徴および行為は、請求項を実装する例示的形態として開示される。

Claims (28)

1. 医療撮像システムであって、
   第１の追跡検出器および第２の追跡検出器であって、前記第１の追跡検出器は、物体が前記第１の追跡検出器と前記第２の追跡検出器との間に存在することを可能にするように前記第２の追跡検出器から離間される、第１の追跡検出器および第２の追跡検出器と、
   前記第１の追跡検出器に隣接する残留飛程検出器であって、
   反射防止材料を用いて少なくとも部分的に被覆される第１の表面と、前記第１の追跡検出器に面する第２の表面とを有するシンチレータ材料と、
   前記第１の表面とは異なる前記シンチレータ材料の第３の表面において、前記第２の表面に対向して前記シンチレータ材料に結合される、少なくとも１つの光子検出器と、
   を含む、残留飛程検出器と、
   を備える、システム。
2. 前記シンチレータ材料は、バルクシンチレータ材料である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１および第２の表面は、同一の表面である、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第１の追跡検出器は、第１のシンチレーティングファイバと、第２のシンチレーティングファイバとを含み、前記第１のシンチレーティングファイバは、前記第２のシンチレーティングファイバに垂直な方向に延在する、請求項１−３のうちのいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記第１の追跡検出器に接続される複数の入力を有する、光検出器をさらに備え、前記第１のシンチレーティングファイバは、シンチレーティングファイバの第１の層と、シンチレーティングファイバの第２の層とを含み、前記シンチレーティングファイバの第１の層の第１のファイバの終端が、前記第１のファイバに隣接する前記シンチレーティングファイバの第２の層の第２のファイバの終端とともに束ねられ、ファイバダブレットを形成し、前記ファイバダブレットの束ねられた終端は、前記光検出器の入力に接続される、請求項１−４のうちのいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記第１の追跡検出器に接続される複数の入力を有する、光検出器をさらに備え、前記第１のシンチレーティングファイバは、複数のストリップに分割され、各ストリップは、複数の隣接するシンチレーティングファイバを含み、前記複数の隣接するシンチレーティングファイバはそれぞれ、前記ストリップ内のある位置を有し、前記複数のストリップ内の第１の位置における各ファイバの終端は、ともに束ねられ、前記複数のストリップのそれぞれにおける第１の位置におけるファイバの束ねられた終端は、前記光検出器の入力に接続される、請求項１−４のうちのいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記複数のストリップ内の第１の位置における各ファイバの終端はまた、前記第１のシンチレーティングファイバの別のファイバの終端とともに束ねられる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの光子検出器は、複数の光電子増倍管を備える、請求項１−７のうちのいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記第１の追跡検出器は、支持体に接続され、前記第２の追跡検出器は、前記支持体に接続され、前記支持体は、前記第１の追跡検出器と前記第２の追跡検出器との間の空間が、前記第１の追跡検出器または前記第２の追跡検出器の位置を変化させることによって調節されることを可能にするように構成される、請求項１−８のうちのいずれか１項に記載のシステム。
10. 医療撮像システムを動作させるための方法であって、
    粒子のビームを生成するステップと、
    前記ビームを、第１の追跡検出器、物体、第２の追跡検出器を通して、シンチレータ材料に結合される少なくとも１つの光子検出器を含む残留飛程検出器に操向するステップであって、反射防止材料が、前記シンチレータ材料の少なくとも１つの表面の一部を被覆する、ステップと、
    前記第１の追跡検出器に結合される第１の光検出器および前記第２の追跡検出器に結合される第２の光検出器から第１の追跡データを収集するステップであって、前記データは、前記第１の追跡検出器を通した、かつ前記第２の追跡検出器を通した粒子の軌跡を表す、ステップと、
    前記シンチレータ材料に結合される少なくとも１つの光子検出器から第１のエネルギーデータを収集するステップであって、前記データは、前記粒子が前記物体を横断する際の粒子のエネルギー損失を表す、ステップと、
    前記第１の追跡データおよび前記第１のエネルギーデータに基づいて、前記物体の画像を生成するステップと、
    を含む、方法。
11. 前記少なくとも１つの光子検出器は、複数の光子検出器を含み、前記第１のエネルギーデータは、合計エネルギーデータ、対角方式座標に関する位置依存データ、または前記複数の光子検出器の全てを下回るものに関する部分的合計エネルギーのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ビームを、前記第１の追跡検出器、前記物体、前記第２の追跡検出器を通して、前記残留飛程検出器に操向するステップに先立って、利得値のある範囲内である利得値を呈するために、前記シンチレータ材料に結合される少なくとも１つの光子検出器のうちの各１つを較正するステップをさらに含む、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記ビームを、前記第１の追跡検出器、前記物体、前記第２の追跡検出器を通して、前記残留飛程検出器に操向するステップに先立って、
    ある範囲の値を通して、事前判定された増分において、前記ビームの粒子の初期エネルギーおよび横断位置を変動させるステップと、
    前記第１の光検出器および前記第２の光検出器から第２の追跡データを収集するステップであって、前記データは、前記第１の追跡検出器を通した、かつ前記第２の追跡検出器を通した粒子の軌跡を表す、ステップと、
    前記シンチレータ材料に結合される少なくとも１つの光子検出器から第２のエネルギーデータを収集するステップであって、前記データは、前記粒子が前記残留飛程検出器のシンチレータ材料に衝突する際の粒子のエネルギーを表す、ステップと、
    前記第２の追跡データおよび前記第２のエネルギーデータに基づいて、較正データセットを生成するステップであって、前記物体の画像を生成するステップはさらに、前記較正データに基づく、ステップと、
    をさらに含む、請求項１０−１２のうちのいずれか１項に記載の方法。
14. 前記粒子の残留飛程が前記残留飛程検出器の深度を下回ることを確実にするために、前記ビームの操向中に前記ビームの粒子の初期エネルギーを変動させるステップをさらに含む、請求項１０−１３のうちのいずれか１項に記載の方法。
15. １０ＭＨｚまたはそれを下回る粒子速度を呈するように前記ビームを生成するステップをさらに含む、請求項１０−１４のうちのいずれか１項に記載の方法。
16. 前記ビームが前記物体に衝突する入射角を変動させるステップをさらに含む、請求項１０−１５のうちのいずれか１項に記載の方法。
17. 前記粒子のビームは、陽子、ヘリウムイオン、リチウムイオン、ベリリウムイオン、炭素イオン、ホウ素イオン、または重陽子を含む、請求項１０−１６のうちのいずれか１項に記載の方法。
18. 医療撮像システムのための残留飛程検出器であって、
    シンチレータ材料であって、前記シンチレータ材料の少なくとも１つの表面は、反射防止材料を用いて少なくとも部分的に被覆される、シンチレータ材料と、
    前記反射防止材料を用いて被覆されていない表面上で前記バルクシンチレータに結合される、少なくとも１つの光子検出器と、
    を備える、検出器。
19. 前記シンチレータ材料は、１０センチメートルまたはそれを下回る厚さを有する、請求項１８に記載の検出器。
20. 前記シンチレータ材料は、単一の連続的体積のシンチレータ材料から形成される、請求項１８または１９に記載の検出器。
21. 前記反射防止材料は、黒色塗料から成る、請求項１８−２０のうちのいずれか１項に記載の検出器。
22. 前記少なくとも１つの光子検出器は、少なくとも４つの固有の光電子増倍要素を備える、請求項１８−２１のうちのいずれか１項に記載の検出器。
23. 医療撮像システムのための追跡検出器システムであって、
    第１の複数のシンチレーティングファイバと、
    第２の複数のシンチレーティングファイバであって、前記第１のシンチレーティングファイバは、前記第２のシンチレーティングファイバに垂直な方向に延在する、第２の複数のシンチレーティングファイバと、
    を含む、追跡検出器と、
    前記追跡検出器の第１および第２の複数のシンチレーティングファイバに接続される複数の入力を有する、光検出器と、
    を備える、システム。
24. 前記第１の複数のシンチレーティングファイバは、シンチレーティングファイバの第１の層と、シンチレーティングファイバの第２の層とを含み、前記シンチレーティングファイバの第１の層の第１のファイバの終端が、前記第１のファイバに隣接する前記シンチレーティングファイバの第２の層の第２のファイバの終端とともに束ねられ、ファイバダブレットを形成し、前記ファイバダブレットの束ねられた終端は、前記光検出器の入力に接続される、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記シンチレーティングファイバの第１の層は、前記第１の複数のシンチレーティングファイバのファイバの幅の半分だけ、前記シンチレーティングファイバの第２の層からオフセットされる、請求項２３または２４に記載のシステム。
26. 前記第１のシンチレーティングファイバは、複数のストリップに分割され、各ストリップは、複数の隣接するシンチレーティングファイバを含み、前記複数の隣接するシンチレーティングファイバはそれぞれ、前記ストリップ内のある位置を有し、前記複数のストリップ内の第１の位置における各ファイバの終端は、ともに束ねられ、前記複数のストリップのそれぞれにおける第１の位置におけるファイバの束ねられた終端は、前記光検出器の入力に接続される、請求項２３−２５のうちのいずれか１項に記載のシステム。
27. 前記複数のストリップ内の第１の位置における各ファイバの終端はまた、前記第１の複数のシンチレーティングファイバの別のファイバの終端とともに束ねられる、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記第１および第２の複数のシンチレーティングファイバを支持する基板をさらに備える、請求項２３−２７のうちのいずれか１項に記載のシステム。

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