JP2019088597A - Particle beam treatment apparatus and method for measuring exposure position in particle beam treatment - Google Patents
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Description
本発明は、粒子線治療装置（加速器ビームがん治療装置）及び粒子線治療時の被曝位置測定方法に関するものである。 The present invention relates to a particle beam therapy system (accelerator beam cancer therapy system) and a method of measuring an exposure position during particle beam therapy.
加速器により発生したビームをがん患者のがん細胞に照射して、がん細胞を死滅又は縮小させ、がんを治療する方法がある。 There is a method of irradiating the beam generated by the accelerator to cancer cells of a cancer patient to kill or reduce the cancer cells and treat the cancer.
非特許文献１には、粒子線治療でがんが治療できる原理が記載されている。 Non-Patent Document 1 describes the principle by which cancer can be treated by particle beam therapy.
加速器ビームでは奥行き方向の最大被曝位置を正確に定めることが可能で、ビームと垂直方向でも1mm以下の精度で被曝位置を限定できる。しかし、ビームが正しくがん患者のがん組織に照射されているかの確認するのが困難であるという課題やがん患者における被曝位置を測定する必要があるという課題がある。 With the accelerator beam, it is possible to accurately determine the maximum exposure position in the depth direction, and it is possible to limit the exposure position with an accuracy of 1 mm or less even in the direction perpendicular to the beam. However, there is a problem that it is difficult to confirm whether the beam is correctly irradiated to the cancer tissue of the cancer patient or a problem that it is necessary to measure the exposure position in the cancer patient.
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、がん患者の奥行き方向の最大被爆位置を正確に、短時間で測定することができる加速器ビームがん治療装置及び加速器ビームがん治療方法を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention provides an accelerator beam cancer treatment apparatus and an accelerator beam cancer treatment method that can accurately measure the maximum exposure position in the depth direction of a cancer patient in a short time. Intended to be provided.
本発明の一つの観点によれば、上記課題を解決するために、粒子線治療装置を、生体に粒子線を照射する粒子線照射装置と、前記生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギーγ線発生位置測定器と、前記高エネルギーγ線発生位置測定器により測定した高エネルギー発生位置測定器により測定したγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝線量分布を算出する被曝線量分布算出部を有するものとした。 According to one aspect of the present invention, in order to solve the above problems, a particle beam treatment apparatus, a particle beam irradiation apparatus for irradiating a particle beam to a living body, and a generation position of high energy γ rays generated in the living body The exposure dose distribution in the living body is determined based on the high energy γ-ray generation position measuring device for measuring the radiation position and the generation position of the γ-ray measured by the high energy generation position measurement device measured by the high energy γ-ray generation position measurement device. The radiation dose distribution calculation unit to be calculated is included.
さらに、前記高エネルギーγ線発生位置測定器は、前記生体の周囲に配置されたシンチレーターと前記シンチレーターの周囲に配置された複数の波長変換ファイバーとを有し、前記シンチレーターに前記γ線が入射して発光し、発光したγ線が前記波長変換ファイバーに入射して再発光し、前記再発光した波長変換ファイバーを特定することにより前記γ線の発生位置を測定するものとするとより適切である。また、前記高エネルギーγ線のエネルギーが10MeV以上とするとより適切である。 Furthermore, the high energy γ-ray generation position measuring device has a scintillator disposed around the living body and a plurality of wavelength conversion fibers disposed around the scintillator, and the γ-rays are incident on the scintillator. It is more appropriate to measure the generation position of the γ-ray by specifying the wavelength conversion fiber which emits light and emits the light and the emitted γ-ray enters the wavelength conversion fiber to re-emit light. In addition, it is more appropriate that the energy of the high energy γ ray is 10 MeV or more.
また、本発明の他の観点によれば、粒子線治療時の被曝位置測定方法を、生体に粒子線を照射する治療時に、生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギー発生位置測ステップと、前記高エネルギー発生位置測定ステップにより測定した高エネルギーγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝分布を算出する被曝分布算出ステップとを有するものとした。 Further, according to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring an exposure position at the time of particle beam therapy, comprising: high energy measuring a generation position of high energy γ rays generated in the living body at the time of treatment for irradiating the living body An exposure distribution calculation step of calculating an exposure distribution in the living body based on a generation position measurement step and a generation position of the high energy γ ray measured by the high energy generation position measurement step.
本発明によれば、粒子線治療装置及び粒子線治療時の被曝位置測定方法において、がん患者における奥行き方向の最大被爆位置を正確に、短時間で測定することができる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the maximum exposure position in the depth direction in a cancer patient in a short time in the particle beam treatment apparatus and the exposure position measurement method at the particle beam treatment.
以下、本発明の実施形態の例及び実施例を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施形態例及び実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples and embodiments of the present invention will be described, but the embodiments of the present invention are not limited to the embodiments and examples described below.
発明者らはシミュレーション計算でビームが照射されている位置からは様々なエネルギーの中性子やγ線が放出されており、それらの平均自由飛行距離は10cm程度であり、以下の現象が起きていることを知った。高エネルギー中性子はビーム軸から離れた場所で原子核と衝突して原子核を励起し、11Cや15Oなどの陽子過剰核を生成する。高エネルギーγ線はビーム軸から離れた場所でコンプトン散乱によって1〜5MeVのγ線を生成し、また電子陽電子対生成反応を起こす。陽子過剰核や対生成で発生した陽電子は離れた場所で一対の511keVγ線を作る。また励起原子核からも1〜5MeVのγ線が発生する。すなわち511keVγ線ペアや1〜5MeVγ線の発生場所の多くは加速器ビーム照射位置から離れており、それらの事象をいくら観測してもビーム照射位置が再構成できない。 The inventors emitted neutrons and gamma rays of various energies from the position where the beam was irradiated in the simulation calculation, and their average free flight distance is about 10 cm, and the following phenomenon occurs I knew High-energy neutrons collide with nuclei at locations away from the beam axis to excite the nuclei and produce proton-rich nuclei such as 11 C and 15 O. The high energy γ-rays generate 1 to 5 MeV γ-rays by Compton scattering at a position away from the beam axis, and cause electron-positron pair formation reaction. Proton-rich nuclei and positrons generated by pair formation form a pair of 511 keV γ-rays at distant places. In addition, γ rays of 1 to 5 MeV are generated also from the excited nuclei. That is, many of the generation locations of the 511 keV γ-ray pair and 1 to 5 MeV γ-ray are far from the accelerator beam irradiation position, and the beam irradiation position can not be reconstructed even if these events are observed.
加速器ビームを生体に照射すれば様々なエネルギーの中性子やγ線が発生するが、低エネルギーγ線（5MeV以下）は２次３次反応でも発生し、ビーム照射位置だけから発生するのは10MeV以上の高エネルギー中性子と高エネルギーγ線だけである。このうち高エネルギー中性子は位置と方向を同時に測定するのが困難であり、ビーム照射位置の直接測定には10MeV以上の高エネルギーγ線の測定だけである。 Irradiating an accelerator beam to a living body generates neutrons and γ-rays of various energies, but low-energy γ-rays (5 MeV or less) are also generated in second-order and third-order reactions, and 10 MeV or more only from beam irradiation positions Of high energy neutrons and high energy gamma rays. Among these, it is difficult to measure the position and direction of high energy neutrons simultaneously, and direct measurement of the beam irradiation position is only measurement of high energy γ rays of 10 MeV or more.
高エネルギーγ線は測定器内で電子陽電子対生成反応を起こす。そこで測定器内で対生成が起きた位置・電子と陽電子の進行方向・電子と陽電子のエネルギーを測定すれば、元の高エネルギーγ線の軌道が求められる。この直線と加速器ビームの直線の交点が高エネルギーγ線の発生位置であり、この位置を多数観測すれば被曝線量分布が得られる。 The high energy gamma rays cause electron positron pairing reaction in the measuring instrument. Therefore, if the position of the pair generation in the measuring instrument, the traveling direction of the electron and the positron, and the energy of the electron and the positron, the orbit of the original high energy γ ray can be obtained. The point of intersection of the straight line and the straight line of the accelerator beam is the generation position of the high energy γ-ray, and the radiation dose distribution can be obtained by observing this position in large numbers.
現在の加速器ビームによるがん治療ではビーム照射地点の調整に30分〜１時間が必要で、実際のビーム照射は１分程度である。またビームの奥行き方向の最大被曝位置ががん組織に重なるようにシミュレーション計算によって入射エネルギーを決定しており、患者の体質などによってビーム照射位置が前後にずれる危険性がある。本発明が実用化すれば、最初に１秒程度ビームを照射して体内の被曝位置を測定し、照射位置ががんに重なるように調整して本格的な照射治療を行う。照射中も被曝位置を常に測定できるので、ビーム照射によるがん治療がはるかに安全になる。また患者一人あたりの照射装置占有時間も1/10以下になるので、治療費も大幅に減少する。 The current accelerator beam cancer treatment requires 30 minutes to 1 hour to adjust the beam irradiation point, and the actual beam irradiation is about 1 minute. In addition, the incident energy is determined by simulation calculation so that the maximum exposure position in the depth direction of the beam overlaps with the cancer tissue, and there is a risk that the beam irradiation position may shift back and forth depending on the patient's constitution and the like. When the present invention is put into practical use, a beam is first irradiated for about 1 second to measure the position of exposure in the body, and the position of irradiation is adjusted so as to overlap with cancer to perform full-scale radiation treatment. The ability to constantly measure the location of the radiation even during radiation makes the cancer treatment with beam radiation much safer. In addition, since the irradiation device occupancy time per patient is less than 1/10, the treatment cost is also significantly reduced.
本装置は、10MeV以上の高エネルギーγ線の位置と進行方向の同時に測定する。また、γ線による電子陽電子対生成事象において電子と陽電子の進行方向とエネルギーを独立に測定する。さらに、余分な荷電粒子が同時入射していないことや余分なγ線が発生していないことを測定する。 This device simultaneously measures the position and the traveling direction of high energy γ-rays of 10 MeV or more. In addition, the traveling direction and energy of electrons and positrons are measured independently in the event of electron-positron pair generation by γ-ray. In addition, it is measured that excess charged particles are not simultaneously incident and that excess γ-rays are not generated.
本測定器は５部分から構成される。 This measuring instrument consists of five parts.
第１部は板状プラスチックシンチレーターで、荷電粒子が入射していないことを測定する。 The first part is a plate-like plastic scintillator, which measures that no charged particles are incident.
第２部はシンチレーター（例えば、板状無機シンチレーター、高速抽出シンチレーター等）と波長変換ファイバーを用いた測定器で、入射γ線が電子陽電子対に変化した位置を測定する。 The second part is a measuring instrument using a scintillator (for example, a plate-like inorganic scintillator, a high-speed extraction scintillator, etc.) and a wavelength conversion fiber, and measures the position where the incident γ-ray has changed to an electron positron pair.
第３部は複数層のシンチレーションファイバーシートで構成される荷電粒子（電子と陽電子）の位置検出器で、電子と陽電子の進行方向を測定する。 The third part is a position detector for charged particles (electrons and positrons) composed of a plurality of layers of scintillation fiber sheets, and measures the traveling directions of electrons and positrons.
第４部は1cm×1cm×10cm程度のプラスチックシンチレーターで構成される電子と陽電子のエネルギー測定器である。 The fourth part is an electron and positron energy measuring device composed of a plastic scintillator of about 1 cm × 1 cm × 10 cm.
第５部は第２部から第４部で電子や陽電子から制動輻射γ線が発生していないことを確認するためのγ線測定器で、第２部と同様な構造ではあるが全ての波長変換ファイバーを小数の光電子増倍管で観測する。本実施形態によれば、粒子線治療時において、患者の体内における被曝位置を高精度に測定することができる。また、被曝位置を測定した結果、被曝位置ががん細胞の位置からずれていた場合、がん細胞の位置と被曝位置を一致させるように粒子線の出力・方向を調節することができる。 The 5th part is a γ-ray measurement device to confirm that no bremsstrahlung γ-ray is generated from electrons or positrons in the 2nd to 4th parts. It has the same structure as the 2nd part, but all the wavelengths The conversion fiber is observed with a small number of photomultipliers. According to the present embodiment, at the time of particle beam therapy, the exposure position in the patient's body can be measured with high accuracy. Further, as a result of measuring the exposure position, when the exposure position is deviated from the position of the cancer cell, the output and direction of the particle beam can be adjusted so that the position of the cancer cell and the exposure position coincide.
１．はじめに
粒子線治療において、がん細胞は、がんの位置とブラッグ・ピーク位置が一致することにより殺傷される。言い換えると、少しでもブラッグ・ピークの位置ががんの位置から外れると、正常細胞が損傷してしまう。したがって、粒子線治療において、ブラッグ・ピークの位置を測定することが重要である。ブラッグ・ピーク位置を測定するために、これまでポジトロン断層測定装置（PET装置）やコンプトン・カメラが検討されてきた。
1. Introduction In particle radiotherapy, cancer cells are killed when the position of the cancer matches the position of the Bragg peak. In other words, normal cells are damaged if the position of the Bragg peak deviates from the position of the cancer. Therefore, in particle beam therapy, it is important to measure the position of the Bragg peak. So far, positron emission tomography devices (PET devices) and Compton cameras have been considered to measure the Bragg peak position.
発明者らは、炭素線治療及び陽子線治療において、二次的に生成されるγ線の分布を、GEANT4 Monte Carlo Simulation Codeを用いてシミュレーションを行なった。陽子線治療の結果を図１に示す。また、シミュレーションに使用したパラメータを表１に示す。このシミュレーションでは、10MeV以上のγ線がブラッグ・ピーク位置に集中的に発生することが示された。他方、エネルギーが約0.511MeVのγ線は、生体内に広く分布していることが分かった。このことから、ブラッグ・ピーク位置を測定するには、高エネルギーのγ線を使用するのが最適であることが判明した。 The inventors have simulated the distribution of gamma rays generated secondarily in carbon radiotherapy and proton radiotherapy using the GEANT4 Monte Carlo Simulation Code. The results of proton therapy are shown in FIG. The parameters used for the simulation are shown in Table 1. In this simulation, it was shown that gamma rays of 10 MeV or more occur intensively at the Bragg peak position. On the other hand, it was found that gamma rays having an energy of about 0.511 MeV are widely distributed in the living body. From this, it was found that it is optimal to use high energy γ-rays to measure the Bragg peak position.
図１は、陽子線治療において、二次的に生成されたγ線が最終的に散乱した位置の分布をシミュレーションした結果を示す図である。図１の横軸は、生体内の深さ方向の位置を示し、縦軸は、生体の垂直方向の位置を示す。
２．方法
10MeV以上のエネルギーを持つγ線のほとんどは、対生成反応を起こす。γ線の軌道は、通過点と対生成された電子（e-）と陽電子(e+)のエネルギーを測定することにより、算出することができる。ブラッグ・ピークの位置は、γ線の軌道と粒子線の軌道の交点を求めることにより算出することができる。
2. Method
Most of the gamma rays with an energy of 10 MeV or more cause a pairing reaction. The orbit of γ-rays can be calculated by measuring the energy of electrons (e − ) and positrons (e + ) generated as a pair with the passing point. The position of the Bragg peak can be calculated by finding the intersection of the γ ray trajectory and the particle beam trajectory.
発明者らは、発光点から発生したγ線により検出器内で生じた対生成事象を測定することができるブラッグ・ピーク位置測定システムを開発した。図２が、その測定システムの模式図である。このシステムは、５つの構成要素から構成される。 The inventors have developed a Bragg peak position measurement system that can measure pair generation events generated in the detector by gamma rays generated from the light emission point. FIG. 2 is a schematic view of the measurement system. This system consists of five components.
第１の部分は、変換部１１である。この部分は、多数の層から構成される。それぞれの層は、La-GPS((GD0.75La0.24Ge0.01)2Si2O7)シンチレーター板１１１と波長変換ファイバー（WLSF）シート１１２から構成される。シンチレーター板のサイズは、300mm×300mm×1mmである。このシートは、直径0.2mmの1500本の波長変換ファイバーを並べて構成されている。シンチレーター板は、シートに挟まれており、シートの方向は、x方向とy方向に直交している。本部分では、γ線が電子陽電子対に変換され、変換が発生した位置が決定される。 The first part is the converter 11. This part is composed of many layers. Each layer is composed of a La-GPS ((GD 0.75 La 0.24 Ge 0.01 ) 2 Si 2 O 7 ) scintillator plate 111 and a wavelength conversion fiber (WLSF) sheet 112. The size of the scintillator plate is 300 mm × 300 mm × 1 mm. This sheet is configured by arranging 1500 wavelength conversion fibers with a diameter of 0.2 mm. The scintillator plate is sandwiched by the sheets, and the direction of the sheets is orthogonal to the x direction and the y direction. In this part, the γ-rays are converted into electron-positron pairs, and the position where the conversion occurred is determined.
第２の部分は、追跡部１２である。この部分は、２層のシンチレーティング・ファイバー追跡部によって構成される。各層は、x, x', u, u', v及びv'用の６個のシンチレーティング・ファイバー・シート１２１を有する。図３は、本層の構造を示す図である。 The second part is the tracking unit 12. This part is constituted by a two-layer scintillating fiber tracker. Each layer has six scintillating fiber sheets 121 for x, x ', u, u', v and v '. FIG. 3 is a view showing the structure of this layer.
第３の部分は、エネルギー測定部１３である。本部分は、プラスチックシンチレーター群１３１及びSiPM１３２によって電子及び陽電子のエネルギーを測定する。各シンチレーターのサイズは、20mm×20mm×100mmである。 The third part is the energy measurement unit 13. This part measures the energy of electrons and positrons by the plastic scintillator group 131 and the SiPM 132. The size of each scintillator is 20 mm × 20 mm × 100 mm.
第４の部分は、電子や陽電子から制動輻射γ線が発生しているかどうか確認するためのVeto用測定部１３４である。本部分は、６０層の変換部の簡略化された測定器から構成される。波長変換ファイバーシートは、片側だけに配置され、各波長変換ファイバーに光電子増倍管（PMT）が接続されている。本部分では、99%の効率が期待できる。 The fourth part is a Veto measuring unit 134 for confirming whether or not bremsstrahlung γ-rays are generated from electrons or positrons. This part consists of a simplified measuring instrument with 60 layers of conversion parts. The wavelength conversion fiber sheet is disposed only on one side, and a photomultiplier tube (PMT) is connected to each wavelength conversion fiber. In this part, an efficiency of 99% can be expected.
第５の部分は、ビーム測定器である。本部分は、追跡部を簡略化したものである。 The fifth part is a beam measuring instrument. This part is a simplified version of the tracking unit.
発明者は、実験により、本システムの基本的な性能を確認した。WLSF（B-3(300)MJ, φ0.2mm, クラレ製）シート２１が配置された厚さ1mmのLa-GPS板状シンチレーター２２を荷電粒子が通過したときの光電子の数を測定した。また、90Sr放射線源２３から発生したβ線がシンチレーティング・ファイバー（SCSF-78,φ1.0mm,クラレ製）を通過したときの光電子の数を測定した。ファイバーの片側だけにPMTが接続されている。実験装置の構成を図４に示す。 The inventor has confirmed the basic performance of the present system through experiments. The number of photoelectrons when charged particles passed through a 1-mm thick La-GPS scintillator 22 on which a WLSF (B-3 (300) MJ, φ 0.2 mm, manufactured by Kuraray) sheet 21 was disposed was measured. Further, the number of photoelectrons was measured when β-rays generated from the 90 Sr radiation source 23 passed through a scintillation fiber (SCSF-78, φ 1.0 mm, manufactured by Kuraray). PMT is connected to only one side of the fiber. The configuration of the experimental apparatus is shown in FIG.
３．結果
0.511MeVγ線の光電子の数は、平均14.7であった。また、90Sr放射線源から発生したβ線がLa-GPSシンチレーター板を通過したときの光電子の数は、平均9.7個であり、シンチレーティング・ファイバーからの光電子は、平均7.6個であった。
3. result
The number of photoelectrons of 0.511 MeV γ ray was 14.7 on average. In addition, the average number of photoelectrons when β rays generated from the 90 Sr radiation source passed through the La-GPS scintillator plate was 9.7, and the average number of photoelectrons from the scintillation fiber was 7.6.
４．結論
ブラッグ・ピーク位置を測定するには、高い数値のMeVを有するγ線を使用するのが適していることが分かった。このようなγ線を測定するためには、本システムのように対生成事象を使用することが最も合理的であることが分かった。本実験により、本システムの構成要素は、十分な発光量を測定することができることが判明した。
4. Conclusions We have found that it is appropriate to use gamma radiation with high numbers of MeV to measure the Bragg peak position. In order to measure such gamma rays, it has been found that it is most reasonable to use a pair generation event as in the present system. This experiment revealed that the components of this system can measure sufficient luminescence.
本発明は、粒子線治療装置として、産業上利用可能である。 The present invention is industrially applicable as a particle beam therapy apparatus.
１１ 変換部
１１１ シンチレーター板
１１２ 波長変換ファイバーシート
１２ 追跡部
１２１ シンチレーティング・ファイバー・シート
１３１ プラスチックシンチレーター群
１３２ SiPM
１３４ Veto用測定部
２１ WLSFシート
２２ La-GPS板状シンチレーター
２３ 90Sr放射線源
11 converter 111 scintillator plate 112 wavelength conversion fiber sheet 12 tracking unit 121 scintillation fiber sheet 131 plastic scintillator group 132 SiPM
Measurement unit 21 for 134 Veto WLSF sheet 22 La-GPS plate scintillator 23 90 Sr radiation source
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|---|---|---|---|---|
| WO2021161561A1 (en) * | 2020-02-14 | 2021-08-19 | 株式会社日立製作所 | Beam monitoring system, particle beam therapy system, and beam monitoring method |
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