JP2019084082A

JP2019084082A - 粒子線モニタリング装置、粒子線モニタリング方法、粒子線モニタリングプログラム

Info

Publication number: JP2019084082A
Application number: JP2017215079A
Authority: JP
Inventors: 酒井　真理; Mari Sakai; 真理酒井; 隆史中野; Takashi Nakano; 荒川　和夫; Kazuo Arakawa; 和夫荒川; 美貴子菊地; Mikiko Kikuchi; 充孝山口; Mitsutaka Yamaguchi; 悠人長尾; Yuto Nagao; 有木河地; Naoki Kawachi
Original assignee: Gunma University NUC; National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
Current assignee: Gunma University NUC; National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP7061741B2

Abstract

【課題】二次粒子のエネルギー分布に基づいて被照射体の量を算出する。【解決手段】被照射体に入射した粒子線から作用を受けた二次粒子のエネルギースペクトル情報を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記二次粒子のエネルギースペクトル情報から、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する算出部と、を備える粒子線モニタリング装置とする。【選択図】図２

Description

本発明は、粒子線モニタリング装置、粒子線モニタリング方法、粒子線モニタリングプログラムに関する。

近年、最先端の放射線がん治療においては、患部に大線量を照射しつつ正常組織線量を飛躍的に低減させる「粒子線治療」が用いられている。粒子線は直進性に優れると共に、ブラッグピークを利用することにより、患部に集中的に線量を与えることが可能である。病巣部位に精密にピンポイントで粒子線を照射するための加速器又はビーム技術として、ビームを細く集束させたペンシルビーム形成やマイクロビーム形成技術などが既に開発されている。

特開２０１２−１７０６５５号公報

しかしながら、現在の粒子線モニタリング技術では、リアルタイムで粒子線の体内到達深度をモニタすることができないため、治療技術の確立・向上を困難にしている。また、照射中の病巣部位への線量分布をリアルタイムに測定することが難しく、治療計画と実験的及び臨床的に蓄積されてきた測定データを基に治療が行われている。

そのため、線量分布のリアルタイムモニタリング技術を実現できれば、病巣部位に粒子線が確実に照射されていることを確認及び実証しながら治療することが可能となり、信頼性確保という観点から医学的にきわめて大きな意味を持つ。

線量分布をモニタリングする手法の１つとして、粒子線照射時に発生する二次粒子を計測するという手法が提案されている。粒子線（一次粒子）が物質（例えば、生体）に入射すると、核反応や電磁相互作用により様々な粒子線や光子線（二次粒子）を発生させる。これらの二次粒子を計測することにより、元の一次粒子の飛程や線量分布を測定しようというものである。

ただし、二次粒子も生体内で周囲の物質と相互作用を起こす。そのため、検出器に到達するまでの生体内の物質分布情報が分からなければ、正確な飛程・線量分布を測定することが難しい。この生体内の物質分布情報を得るために、従来は、粒子線治療装置や二次粒子測定装置とは別にＸ線断層撮影装置等を準備し利用することが求められていた。しかし、Ｘ線断層撮影装置の利用はＸ線による被ばくを伴う。また、Ｘ線断層撮影は治療中に行うことが難しく、通常は治療前もしくは治療後に行う。そのため、治療ビーム照射中の物質分布情報を取得することは困難であった。

本発明は、二次粒子のエネルギー分布に基づいて生体内の物質分布情報を得る方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、第１の態様は、
被照射体に入射した粒子線から作用を受けた二次粒子のエネルギースペクトル情報を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記二次粒子のエネルギースペクトル情報から、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する算出部と、
を備える粒子線モニタリング装置とする。
開示の態様は、プログラムが情報処理装置によって実行されることによって実現されてもよい。即ち、開示の構成は、上記した態様における各手段が実行する処理を、情報処理装置に対して実行させるためのプログラム、或いは当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として特定することができる。また、開示の構成は、上記した各手段が実行する処理を情報処理装置が実行する方法をもって特定されてもよい。開示の構成は、上記した各手段が実行する処理を行う情報処理装置を含むシステムとして特定されてもよい。

本発明によれば、二次粒子のエネルギー分布に基づいて生体内の物質分布情報を得る方法を提供することができる。

図１は、一次粒子が被照射体に照射された際に発生する二次粒子の発生量と、発生した二次粒子が被照射体を通過して検出器に到達する検出量とのエネルギー依存性の例を示す図である。図２は、実施形態に係る粒子線モニタリング装置の構成例を示す図である。図３は、検出部１１の構成例を示す図である。図４は、被照射体２の位置関係に応じて二次粒子のエネルギースペクトルを検出部１１が検出する測定方法の例１を示す図である。図５は、被照射体２の位置関係に応じて二次粒子のエネルギースペクトルを検出部１１が検出する測定方法の例２を示す図である。図６は、実施形態の二次粒子のエネルギースペクトル検出を説明する図である。図７は、複数の側方幅ｗについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図８は、複数の軸方向深さｄについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図９は、図８のＲ１及びＲ２の関係のグラフにおいて、側方幅が１ｃｍのものを抽出したグラフである。図１０は、図９と同様のデータにおいて、軸方向深さとＲ２の関係を示すグラフである。図１１は、複数の側方幅ｗについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図１２は、複数の軸方向深さｄについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図１３は、図１２のＲ１及びＲ２の関係のグラフにおいて、側方幅が１ｃｍのものを抽出したグラフである。図１４は、図１３と同様のデータにおいて、軸方向深さとＲ２の関係を示すグラフである。図１５は、被照射体における軸方向深さｄ及び側方幅ｗの算出の動作フローの例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、発明の構成は、開示の実施形態の具体的構成に限定されない。発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

〔実施形態〕
本実施形態は、粒子線（一次粒子）を被照射体に照射した際に発生する二次粒子（Ｘ線、ガンマ線等）の観測による粒子線モニタリング方法である。一次粒子は、例えば、炭素線、陽子線である。本実施形態における二次粒子は、入射粒子線のエネルギーの一部を付与された二次粒子を指す。二次粒子の具体例として、Ｘ線、ガンマ線、電子、中性子、陽子、ヘリウム原子核、リチウム原子核、ベリリウム原子核、ホウ素原子核、炭素原子核等が示される。二次粒子の１種であるＸ線には「被照射体を構成する原子が励起され、脱励起を起こす際に放出されるＸ線」と「被照射体を構成する原子を構成する電子がイオン化された後、イオン化した電子が放出するＸ線、つまり、電子制動輻射」とが含まれる。このため、これら両方のＸ線を二次粒子として検出しても良いし、いずれか一方のＸ線を二次粒子として検出しても良い。なお、電子制動輻射により生じるＸ線（二次粒子）は、主に、電磁相互作用によって発生するため、原子核反応よりも反応確率が１０^２から１０^５程度大きい。二次粒子のもつエネルギースペクトルは、粒子線のイオンエネルギーに強い相関を持つ。

二次粒子は、２０ｋｅＶから１０００ｋｅＶ程度のエネルギーに広がって分布するスペクトルを有する。この程度のエネルギーの二次粒子（Ｘ線、ガンマ線等）は、エネルギーが低いほど相互作用（コンプトン散乱、光電吸収など）を起こしやすいため、二次粒子は検出器まで到達する確率が低い。一方、二次粒子のエネルギーが高いと、二次粒子は検出器まで到達する確率が高い。したがって、スペクトルの形状は、二次粒子が発生から検出器に到達するまでに通過する被照射体の距離（通過距離）に依存する。

つまり、被照射体の各位置における二次粒子のエネルギースペクトルを観測することによって、被照射体中の二次粒子発生位置における粒子線のエネルギー（粒子線の到達距離に対応）及び二次粒子が通過した被照射体の距離を求めることができる。本実施形態では、二次粒子を観察することにより、粒子線リアルタイムモニタリングを行う。

図１は、一次粒子が被照射体に照射された際に発生する二次粒子の発生量と、発生した二次粒子が被照射体を通過して検出器に到達する検出量とのエネルギー依存性の例を示す図である。図１のグラフの横軸は二次粒子のエネルギーであり、縦軸は二次粒子の発生量または検出量を示す。二次粒子の発生量に対する検出量の割合は、二次粒子のエネルギーが大きくなるほど大きくなる。図１では、連続エネルギースペクトルを例示したが、二次粒子のエネルギースペクトルは連続エネルギースペクトルでなくても構わない。つまり、不連続エネルギースペクトルを持っても良い。また、連続エネルギースペクトルと不連続エネルギースペクトルを組み合わせたエネルギースペクトルであっても良い。

（構成例）
図２は、本実施形態に係る粒子線モニタリング装置の構成例を示す図である。図２に示されるとおり、粒子線モニタリング装置１は、検出部１１及び演算部１２を備える。なお、検出部１１は、演算部１２により制御可能な状態で接続している。

検出部１１は、加速器３から入射した粒子線について、被照射体２中において当該粒子線から作用を受けた二次粒子の放射線情報を、被照射体２の位置関係に応じて検出する。二次粒子の放射線情報は、例えば、一次粒子によって発生するＸ線又はガンマ線等（二次粒子）のうちの少なくとも一つのエネルギースペクトルである。

図３は、検出部１１の構成例を示す図である。図３に示されるとおり、検出部１１は、検出器１１１、電荷有感型増幅器（ＣｈａｒｇｅＳｅｎｓｉｔｉｖｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）１１２、整形増幅器（ＳｈａｐｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）１１３、アナログデジタル変換器（ＡｎａｌｏｇＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１４を備える。

検出器１１１は、例えば、テルル化カドミウム半導体検出器（ＣｄＴｅ）である。本実施形態では、検出器１１１は、入射する二次粒子により生成される電気信号により、二次粒子のエネルギースペクトルを得ることができる検出器であれば何でもよい。図３に示されるとおり、検出器１１１は、ＨＶ（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅ）、カップリングコンデンサ（Ｃｃ）及びバイアス抵抗（Ｒｂ）に接続される。これにより、検出器１１１に生じた電荷の変化分のみがカップリングコンデンサを介して、電荷有感型増幅器１１２に伝達される。

電荷有感型増幅器１１２は、検出器１１１中で生成された電荷を読み出して、電圧に変換する。整形増幅器１１３は、電荷有感型増幅器１１２により電圧に変換された信号の波形整形と増幅を施す。そして、当該信号の波高値（パルスハイト）は、アナログデジタル変換器１１４により読み取られる。

以上により、検出部１１は、二次粒子のエネルギースペクトルを取得する。

図４及び図５は、被照射体２の位置関係に応じて二次粒子のエネルギースペクトルを検出部１１が検出する測定方法の例を示す図である。

検出部１１は、図４に示されるとおり、二次粒子の入射方向に応じて平行光線を作るコリメータ１２０を更に備えることにより、二次粒子のエネルギースペクトルを被照射体２の位置関係に応じて検出してもよい。この場合、粒子線の照射により放出されるＸ線又はガンマ線等（二次粒子）は、コリメータ１２０により入射方向に応じた位置における平行光線となる。したがって、検出部１１が備える検出器１１１は、粒子線の照射により放出されるＸ線又はガンマ線等（二次粒子）のエネルギースペクトルをより高い位置分解能で測定することができることが好ましい。コリメータ１２０として、例えば、スリット状コリメータ、筒状コリメータ、ピンホール状コリメータ、パラレルホール状コリメータ、ファンビーム状コリメータが挙げられる。図４では、コリメータ１２０として、スリット状コリメータの例を挙げている。

また、検出部１１は、図５に示されるとおり、演算部１２により制御可能な駆動機構１２１を更に備えることにより、二次粒子のエネルギースペクトルを被照射体２の位置関係に応じて検出してもよい。駆動機構１２１は、例えば、粒子線の進行方向と平行な方向に動作する。そして、検出部１１は、当該駆動機構１２１により、粒子線の進行方向と平行な方向に移動させられることにより、二次粒子のエネルギースペクトルを被照射体２の位置関係に応じて検出する。図５に示される検出部１１は、図４のようにコリメータ１２０を更に備えてもよい。コリメータは、図４のようなスリット状コリメータに限定されず、上記のような他の種類のコリメータであってもよい。

また、駆動機構１２１により検出部１１を移動させる代わりに、複数個の検出部１１を配置してもよい。これによりバックグラウンドの時間変動による測定誤差を相殺でき、精度良い測定が可能となる。

次に、演算部１２について説明する。演算部１２は、検出部１１により検出された位置関係に応じた二次粒子の放射線情報（エネルギースペクトル）から、被照射体中における
粒子線の挙動に関する情報を求める。図２に示されるとおり、演算部１２は、ハードウェア構成として、バス２３で接続される、記憶部２１、制御部２２、入出力部２４等の既存のハードウェアを有している。

記憶部２１は、例えば、ハードディスクであり、制御部２２で実行される処理で利用される各種データ及びプログラムを記憶する。

制御部２２は、マイクロプロセッサ又はＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の１又は複数のプロセッサであり、このプロセッサの処理に利用される周辺回路（ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、インタフェース回路等）を有する。

入出力部２４は、例えば、ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）やＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等であり、データを入出力するためのインタフェースである。本実施形態では、演算部１２は、入出力部２４を介して検出部１１と接続している。例えば、演算部１２に含まれる制御部２２が、入出力部２４を介して検出部１１を制御する。より具体的には、例えば、記憶部２１に格納されたプログラム等が制御部２２の周辺回路であるＲＡＭ等に展開され、制御部２２のプロセッサにより実行されることによって発生する電気信号が入出力部２４を介して検出部１１に伝達される。これにより、検出部１１は、制御部２２によって制御される。

なお、演算部１２は、ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）等のような汎用コンピュータで構成されてもよい。

図２に示されるとおり、制御部２２は、算出部３１を含む。算出部３１は、記憶部２１に格納されたプログラム等が制御部２２の周辺回路であるＲＡＭ等に展開され、制御部２２のプロセッサにより実行されることによって実現される。

算出部３１は、検出部１１により検出された位置関係に応じた二次粒子の放射線情報（エネルギースペクトル）から、被照射体中における粒子線の挙動に関する情報および二次粒子の挙動に関する情報を求める。

（動作例）
図６は、本実施形態の二次粒子のエネルギースペクトル検出を説明する図である。図６で示すように、加速器３で所定のエネルギーに加速された粒子線（一次粒子）ビームは、被照射体２に入射され、ビーム軸方向に距離ｄ、進んだ後に二次粒子を発生させる。二次粒子の発生位置から、ビーム軸方向に垂直に進む二次粒子は、被照射体内を距離ｗ、進み、検出部１１で検出される。ここでは、被照射体２として、例えば、生体内物質を模擬した水ファントムが用いられる。水ファントムは、例えば、粒子線のビーム軸方向に距離ｄ以上の厚さ、ビーム軸と垂直な方向に半径ｗを有する円柱状のアクリル製ファントムに水を注入したものである。ここでは、粒子線モニタリング装置１は、検出部１１の位置を変更したり、異なる半径ｗを有する被照射体を使用することで、様々なｄ、ｗについて、二次粒子のエネルギースペクトルを取得する。距離ｄは、被照射体２における粒子線の到達深度に相当する。

上述のように、二次粒子のエネルギースペクトルの形状は、二次粒子が発生から検出部１１に到達するまでに通過する被照射体の距離ｗに依存する。そのため、粒子線（一次粒子）のエネルギーが１つの値で固定されていれば、二次粒子が通過した直線状の軌跡における生体内物質の量（通過した距離ｗ）を求めることができる。ここで、２つの異なる二次粒子のエネルギーＥ０、Ｅ１における検出器による検出数を、それぞれＮ０、Ｎ１とし
、比Ｎ１／Ｎ０をＲ１とする。エネルギーＥ０、Ｅ１の二次粒子の発生数をそれぞれ、Ｍ０、Ｍ１とする。エネルギーＥ０、Ｅ１の二次粒子の生体内物質における減衰係数をそれぞれμ０、μ１、二次粒子が通過する生体内物質の厚さをｗとすると、Ｒ１は次のように求まる。
Ｒ１＝（Ｍ１／Ｍ０）×ｅｘｐ（（μ０−μ１）ｗ）

エネルギーＥ０、Ｅ１を固定すると、μ０−μ１の値は変化しない。また、粒子線のエネルギーが１つの値で固定されればＭ１／Ｍ０も変化しない。よって、Ｒ１からｗを一意に求めることができる。

また、実際の生体内物質では、粒子線の軌道上に空気や骨が存在することにより密度の変化等が生じることがある。この場合、二次粒子を発生する位置での粒子線（一次粒子）のエネルギーが不明となるので、Ｍ１／Ｍ０が固定されず、Ｒ１からｗを一意に求めることが難しい。しかし、この場合でも、３つの異なる二次粒子のエネルギー（Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２）における検出量を、それぞれ、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２とし、Ｎ１／Ｎ０、Ｎ２／Ｎ０をそれぞれ、Ｒ１、Ｒ２とすると、Ｒ１、Ｒ２の値が、「二次粒子が通過した直線状の軌跡における生体内物質の量」と「二次粒子の発生位置における一次粒子のエネルギー」とから一意に決定される。「二次粒子が通過した直線状の軌跡における生体内物質の量」は、側方幅ｗに対応する。「二次粒子の発生位置における一次粒子のエネルギー」は、軸方向深さｄに対応する。側方幅ｗ及び軸方向深さｄは、生体内物質が水であるとしたときの換算長さである。生体内物質が水以外を含む場合に、側方幅ｗ及び軸方向深さｄは、物理的な長さと異なることがある。物理的な長さとｗ、ｄとを比較することにより、生体内物質の成分（水、骨、空気など）の割合を求めることができる。また、複数の位置において、物理的な長さとｗ、ｄとを比較することにより、生体内物質の各成分の位置を求めることができる。

ここで、エネルギーＥ０、Ｅ１、Ｅ２は、それぞれ、所定の幅を有するエネルギー領域であってもよい。エネルギー領域とすることで、検出量を多くすることができ、ノイズを抑制することができる。また、各エネルギー領域は、互いに重複がないものとする。

粒子線モニタリング装置１は、モンテカルロシミュレーションなどの数値シミュレーションにより、側方幅ｗ及び軸方向深さｄと、Ｒ１及びＲ２（二次粒子のエネルギースペクトル）との関係を求めてもよい。

粒子線モニタリング装置１は、複数の側方幅ｗ及び軸方向深さｄについての、Ｒ１及びＲ２（二次粒子のエネルギースペクトル）をあらかじめ取得しておく。

以下に、粒子線モニタリング装置１が取得した、側方幅ｗ及び軸方向深さｄと、Ｒ１及びＲ２との関係を示す。

図７は、複数の側方幅ｗについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図７のグラフでは、横軸はＲ１、縦軸はＲ２である。ここで、エネルギー領域は、３０ｋｅＶ≦Ｅ０＜４０ｋｅＶ、５０ｋｅＶ≦Ｅ１＜６０ｋｅＶ、７０ｋｅＶ≦Ｅ２＜８０ｋｅＶである。側方幅ｗは、０ｃｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍとしている。側方幅毎に、異なるシンボルのプロットをしている。また、軸方向深さｄは、１０ｍｍから９０ｍｍまでのいずれかである。図７のグラフで示されるように、１つの側方幅のプロットは、一定の領域内に存在し、他の側方幅の領域とほとんど重ならない。よって、何らかの被照射体に粒子線を照射し、発生する二次粒子のエネルギースペクトルからＲ１及びＲ２を求めて、図７のグラフと比較することで、当該被照射体の側方幅ｗを求めることができる。また、図７のグラフから、Ｒ１が大きくなるほど側方幅ｗが大きくなる傾向があるため、
Ｒ１だけであっても、ある程度精度で側方幅ｗを求めることができることがわかる。

図８は、複数の軸方向深さｄについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図８のグラフでは、横軸はＲ１、縦軸はＲ２である。図８のグラフでは、図７と同じ結果について、側方幅ｗの代わりに、軸方向深さ毎に異なるシンボルのプロットをしている。ここでは、軸方向深さを３つの領域（１０．０〜３６．７ｍｍ、３６．７〜６３．３ｍｍ、６３．３〜９０．０ｍｍ）に分割して領域毎に異なるシンボルのプロットをしている。図８のグラフで示されるように、１つの軸方向深さのプロットは、一定の領域内に存在し、他の軸方向深さの領域とあまり重ならない。よって、何らかの被照射体に粒子線を照射し、発生する二次粒子のエネルギースペクトルからＲ１及びＲ２を求めて、図８のグラフと比較することで、当該被照射体の軸方向深さｄを求めることができる。

図９は、図８のＲ１及びＲ２の関係のグラフにおいて、側方幅が１ｃｍのものを抽出したグラフである。１つの軸方向深さのプロットは、一定の領域内に存在し、他の軸方向深さの領域とほとんど重なっていないことがわかる。

図１０は、図９と同様のデータにおいて、軸方向深さとＲ２の関係を示すグラフである。図１０のグラフでは、横軸は軸方向深さ、縦軸はＲ２である。ここでは、側方幅は１ｃｍとしている。グラフにおける４つの点は、左から、それぞれ、１０〜３０ｍｍ、３０〜５０ｍｍ、５０〜７０ｍｍ、７０〜９０ｍｍの軸方向深さのＲ２及び軸方向深さを平均化したものである。Ｒ２が小さくなるほど、軸方向深さが長くなっていることが分かる。

次に、図７から図１０までのグラフについて、エネルギー領域の設定を異なるものにした例を示す。

図１１は、複数の側方幅ｗについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図１１のグラフでは、横軸はＲ１、縦軸はＲ２である。ここで、エネルギー領域は、２０ｋｅＶ≦Ｅ０＜３０ｋｅＶ、３０ｋｅＶ≦Ｅ１＜４０ｋｅＶ、６０ｋｅＶ≦Ｅ２＜７０ｋｅＶである。側方幅ｗは、０ｃｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍとしている。側方幅毎に、異なるシンボルのプロットをしている。また、軸方向深さｄは、１０ｍｍから９０ｍｍまでのいずれかである。図１１のグラフで示されるように、１つの側方幅のプロットは、一定の領域内に存在し、他の側方幅の領域と重ならない。よって、何らかの被照射体に粒子線を照射し、発生する二次粒子のエネルギースペクトルからＲ１及びＲ２を求めて、図１１のグラフと比較することで、当該被照射体の側方幅ｗを求めることができる。また、図１１のグラフから、Ｒ１またはＲ２が大きくなるほど側方幅ｗが大きくなる傾向があるため、Ｒ１またはＲ２だけであっても、側方幅ｗを求めることができることがわかる。

図１２は、複数の軸方向深さｄについて、Ｒ１及びＲ２の関係を示すグラフである。図１２のグラフでは、横軸はＲ１、縦軸はＲ２である。図１２のグラフでは、図１１と同じ結果について、側方幅ｗの代わりに、軸方向深さ毎に異なるシンボルのプロットをしている。ここでは、軸方向深さを３つの領域（１０．０〜３６．７ｍｍ、３６．７〜６３．３ｍｍ、６３．３〜９０．０ｍｍ）に分割して領域毎に異なるシンボルのプロットをしている。図１２のグラフで示されるように、１つの軸方向深さのプロットは、一定の領域内に存在し、他の軸方向深さの領域とほとんど重ならない。よって、何らかの被照射体に粒子線を照射し、発生する二次粒子のエネルギースペクトルからＲ１及びＲ２を求めて、図１２のグラフと比較することで、当該被照射体の軸方向深さｄを求めることができる。

図１３は、図１２のＲ１及びＲ２の関係のグラフにおいて、側方幅が１ｃｍのものを抽出したグラフである。１つの軸方向深さのプロットは、一定の領域内に存在し、他の軸方
向深さの領域とほとんど重なっていないことがわかる。

図１４は、図１３と同様のデータにおいて、軸方向深さとＲ２の関係を示すグラフである。図１４のグラフでは、横軸は軸方向深さ、縦軸はＲ２である。ここでは、側方幅は１ｃｍとしている。グラフにおける４つの点は、左から、それぞれ、１０〜３０ｍｍ、３０〜５０ｍｍ、５０〜７０ｍｍ、７０〜９０ｍｍの軸方向深さのＲ２及び軸方向深さを平均化したものである。Ｒ２が小さくなるほど、軸方向深さが長くなっていることが分かる。

軸方向深さｄと側方幅ｗを求める際に使用するエネルギー領域を調整することで、より正確に、軸方向深さｄと側方幅ｗとを求めることができる。

粒子線モニタリング装置１の記憶部２１には、取得したＲ１及びＲ２と軸方向深さｄ及び側方幅ｗとが対応付けられて格納される。

次に、上記の結果を利用した被照射体における軸方向深さｄ及び側方幅ｗの算出についての動作例を説明する。

図１５は、被照射体における軸方向深さｄ及び側方幅ｗの算出の動作フローの例を示す図である。例えば、粒子線モニタリング装置１の演算部１２が備える不図示のユーザインタフェースを介したユーザの操作情報に基づいて、記憶部２１に格納されたプログラム等が制御部２２によって実行されることにより当該動作フローが開始される。

Ｓ１０１では、演算部１２の制御部２２によって制御された検出部１１によって、粒子線の進行方向に対して垂直の方向に放出される二次粒子のエネルギースペクトルが検出される。

Ｓ１０２では、算出部３１は、検出された二次粒子のエネルギースペクトルを用いて、エネルギー領域Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２についての検出量Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２を求める。算出部３１は、Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２からＲ１、Ｒ２を求める。

Ｓ１０３では、算出部３１は、記憶部２１に格納されるＲ１及びＲ２と軸方向深さｄ及び側方幅ｗの対応関係を抽出する。算出部３１は、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２と一致するＲ１、Ｒ２を当該対応関係から抽出する。算出部３１は、抽出されたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗを、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗとして出力する。また、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２と一致するＲ１、Ｒ２が当該対応関係にない場合、図７のようなグラフにおいて、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２に最も近い距離のＲ１、Ｒ２を抽出する。算出部３１は、抽出されたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗを、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗとして出力する。また、算出部３１は、図７のようなグラフにおいて、Ｓ１０２で求めたＲ１、Ｒ２に最も近い距離から複数個（例えば３個）のＲ１、Ｒ２を抽出して、抽出されたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄの平均値及び側方幅ｗの平均値をＳ１０２で求めたＲ１、Ｒ２に対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗとして出力してもよい。

このようにして、粒子線モニタリング装置１は、二次粒子のエネルギースペクトルから、軸方向深さｄ及び側方幅ｗを求めることができる。粒子線モニタリング装置１は、複数の位置から二次粒子のエネルギースペクトルを取得してもよい。このとき、それぞれの位置において、軸方向深さｄ及び側方幅ｗを求めることができる。

検出部１１は、算出部３１で使用するエネルギー領域（Ｅ０、Ｅ１、Ｅ２）についてのみ二次粒子の量を検出して、算出部３１で使用しないエネルギー領域については二次粒子
の量を検出しなくてもよい。

（その他）
上記の説明では、二次粒子のエネルギースペクトルのうち、一部のエネルギー領域の検出量を用いて、軸方向深さｄ及び側方幅ｗを求めている。算出部３１は、二次粒子のエネルギースペクトルと対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗとの関係をディープラーニングによりニューラルネットワークに学習し、当該学習済みニューラルネットワークを利用して、新たに取得した二次粒子のエネルギースペクトルについて、軸方向深さｄ及び側方幅ｗを算出してもよい。即ち、算出部３１は、二次粒子のエネルギースペクトルと対応する軸方向深さｄ及び側方幅ｗとの関係を機械学習し、当該機械学習結果を利用して、新たに取得した二次粒子のエネルギースペクトルについて、軸方向深さｄ及び側方幅ｗを算出してもよい。これにより、二次粒子のエネルギースペクトルの全領域を利用することでより正確に軸方向深さｄ及び側方幅ｗを求めることができる。

（実施形態の作用、効果）
本実施形態の構成は、二次粒子と生体内物質の相互作用による影響を評価する方法として、二次粒子のエネルギースペクトルを基に生体内物質の量を算出する方法を実現する。本実施形態の方法では、一次粒子によって誘発される二次粒子を測定するので、Ｘ線断層撮影装置等で生じていたような追加の被ばくは生じない。また、この方法で測定する二次粒子は一次粒子の照射とほぼ同時に発生するので、Ｘ線断層撮影装置等では実現困難であった、治療ビーム照射中の物質分布情報の取得が可能となる。

粒子線モニタリング装置１は、検出部１１を移動して、３次元的な二次粒子のエネルギースペクトルの検出を行えば、３次元的な被照射体（生体内物質）の分布の測定を行うことができる。

粒子線モニタリング装置１は、粒子線の飛程や線量分布のリアルタイムモニタリングができることで、患者に粒子線を照射した場合に、病巣部位に粒子線が確実に照射されていることを確認、検証しながら治療することが可能となる。また、粒子線モニタリング装置１によれば、治療中の生体内での変化（例えば、体内空洞領域における粘液の充填、排出）を認識することが可能となる。リアルタイムモニタリングを行うことで、治療の質、信頼性の向上を図ることができる。

以上の実施形態の構成は、可能な限りこれらを組み合わせて実施され得る。

〈コンピュータ読み取り可能な記録媒体〉
コンピュータその他の機械、装置（以下、コンピュータ等）に上記いずれかの機能を実現させるプログラムをコンピュータ等が読み取り可能な記録媒体に記録することができる。そして、コンピュータ等に、この記録媒体のプログラムを読み込ませて実行させることにより、その機能を提供させることができる。

ここで、コンピュータ等が読み取り可能な記録媒体とは、データやプログラム等の情報を電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積し、コンピュータ等から読み取ることができる記録媒体をいう。このような記録媒体内には、ＣＰＵ、メモリ等のコンピュータを構成する要素を設け、そのＣＰＵにプログラムを実行させてもよい。

また、このような記録媒体のうちコンピュータ等から取り外し可能なものとしては、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ、ＤＡＴ、８ｍｍテープ、メモリカード等がある。

また、コンピュータ等に固定された記録媒体としてハードディスクやＲＯＭ等がある。

１：粒子線モニタリング装置
２：被照射体
３：加速器
１１：検出部
１２：演算部
２１：記憶部
２２：制御部
２３：バス
２４：入出力部
３１：算出部
１１１：検出器
１１２：電荷有感型増幅器
１１３：整形増幅器
１１４：アナログデジタル変換器
１２０：コリメータ
１２１：駆動機構

Claims

被照射体に入射した粒子線から作用を受けた二次粒子のエネルギースペクトル情報を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記二次粒子のエネルギースペクトル情報から、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する算出部と、
を備える粒子線モニタリング装置。
前記粒子線の挙動に関する情報は、前記被照射体における前記粒子線の到達深度であり、
前記二次粒子の挙動に関する情報は、前記被照射体における前記二次粒子の通過距離である
請求項１に記載の粒子線モニタリング装置。
前記二次粒子のエネルギースペクトル情報は、互いに重複のない複数のエネルギー領域の二次粒子の検出量である、
請求項１または２に記載の粒子線モニタリング装置。
前記算出部は、前記二次粒子のエネルギースペクトル情報と、前記粒子線の挙動に関する情報及び前記二次粒子の挙動に関する情報との関係を機械学習した結果を利用して、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する、
請求項１または２に記載の粒子線モニタリング装置。
コンピュータが、
被照射体に入射した粒子線から作用を受けた二次粒子のエネルギースペクトル情報を検出し、
検出された前記二次粒子のエネルギースペクトル情報から、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する、
ことを実行する粒子線モニタリング方法。
コンピュータが、
被照射体に入射した粒子線から作用を受けた二次粒子のエネルギースペクトル情報を検出し、
検出された前記二次粒子のエネルギースペクトル情報から、前記被照射体における粒子線の挙動に関する情報及び二次粒子の挙動に関する情報を算出する、
ことを実行するための粒子線モニタリングプログラム。