JP2021049040A - 粒子線ビームプロファイル検出器、粒子線治療装置、および、粒子線ビームプロファイル検出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】粒子線の照射スポット内の線量分布を短時間に簡便に測定することのできる粒子線ビームプロファイル検出器を提供する。【解決手段】治療台に搭載された水槽内で、所定の深さまで板状の蛍光体を移動させる。蛍光体に対して粒子線を照射する。蛍光体の発した蛍光の２次元強度分布を水槽の外に配置された光検出器により検出する。検出された２次元強度分布を線量分布に変換する。【選択図】図２

Description

本発明は、加速された荷電粒子をがん等の患部に照射する粒子線治療装置において、粒子線ビームのプロファイルを測定する装置に関する。

粒子線治療とは、粒子線加速器により加速された荷電粒子（陽子や炭素等の重粒子の原子核）をがん患部に照射することにより、がん細胞を破壊するがん治療法である。粒子線は、飛程の終端付近で最も線量集中性が高くなる。このため、がん患部で多くのエネルギを放出させることができ、健康組織へのダメージを抑制できるという特徴がある。一方、粒子線は、小さな照射領域において、大きなエネルギを放出するため、計算を事前に行って照射領域（がん細胞のある標的）を限定し、限定した照射領域に高精度に粒子線を照射することが求められる。

近年、細い粒子線ビームを用いて、ビームスポットで標的を塗りつぶす様に照射する、スポットスキャニング法が主流な照射法になっている。また、二つ以上の方向から標的に対して粒子線ビームを照射する方法が一般的に用いられる。このため、どの角度から、どのスポットへ、どの様な照射量で粒子線ビームを照射すれば良いかは、事前に最適化計算によって決定される。この最適化計算を行う過程は、治療計画と呼ばれる。

また、治療計画において、粒子線が大きなエネルギを放出する飛程の終端を標的（がん細胞）に一致させるために、粒子線が、その中心軸方向において患者体内でどのような線量分布になるか、予め計測しておく必要がある。この計測は、一般的には、実際にビームをファントムに向かって出射して線量分布を測定することにより行われる。

例えば、特許文献１には、水を入れた容器をファントムとして、容器内の水の中に放射線測定センサを配置し、センサに向かって放射線を照射する測定方法が開示されている。

特許文献２には、蛍光体を含む水をファントムとして用い、粒子線のペンシル状ビームをファントムに照射し、ビームが通過することによる発光を、ファントムの外側に配置した複数台のカメラで撮影することにより、ペンシル状ビームの線量分布を測定する技術が開示されている。

特許文献３には、粒子線を水に照射した際に微弱光が発生することに着目し、透明な容器に水を入れたものをファントムとして、放射線をファントムに照射し、ＣＣＤカメラ等で、放射線の通過位置から発生する微弱光を撮影する技術が開示されている。

特許文献４には、固体ファントムの中空に水ファントムを挿入し、水ファントム内に、銀活性リン酸塩ガラス板を線量測定手段として配置し、放射線を照射する構成が開示されている。放射線を照射した後、銀活性リン酸塩ガラス板を水ファントムから取り出して、紫外線で励起すると、放射線が照射された個所の銀活性リン酸塩ガラスから蛍光が放出される。この蛍光をリーダーで読み取ることにより放射線量を測定することができる。

特許第３８３９６８７号公報 特許第５９１８８６５号公報（段落００３２） 特開２０１７−１８７２８６号公報 特許第４３８４８９７号公報

粒子線の種類として、陽子線や重粒子線が知られているが、陽子線は、陽子がそれ以上分裂しないため、比較的まっすぐに飛んでいくのに対し、炭素等の原子核である重粒子線は、原子核に陽子と中性子が複数個含まれ、被検体中で一部が分裂しながら飛んでいく。そのため、陽子線と比較して、重粒子線は、図５（ａ）に示すようにビーム径が広がりやすいという特性があり、粒子線の標的の位置におけるスポット形状およびスポット内の線量分布（ビームプロファイル）を精度よく測定することが、治療計画を立てる上では必要でなる。

粒子線治療装置は、大きな装置であるため、設置場所において構成部品を組み立てて完成させ、試運転を行った後に顧客に引き渡される。試運転期間中に、装置から実際に出射される粒子線の線量分布が測定され、稼働後の治療計画の作成に用いられることが望ましい。そのためには、粒子線治療装置の設置場所で、少なくとも粒子線の中心軸に直交する面内（スポット内）において、粒子線の線量分布（ビームプロファイル）を短時間で精度よく測定することが望まれる。

しかしながら、特許文献１に記載の技術により、ビームプロファイルを測定しようとすると、小さな放射線測定センサの位置を２次元に微小量ずつ移動させながら、繰り返し放射線（粒子線）を照射し、１点ずつ放射線強度を測定する必要がある（図３（ａ）参照）。そのため、ビームプロファイルの測定に長時間を要するという問題がある。

一方、特許文献２、３に記載の技術は、蛍光体の水溶液や水を粒子線が通過することにより発せられる光の強度をカメラで測定する方法であるが、スポット形状およびスポット内の線量分布（ビームプロファイル）を光量分布としてカメラで測定するためには、カメラの光軸と放射線の中心軸とを一致または平行になるように配置する必要がある。このときカメラに到達する光は、蛍光体の水溶液や水の放射線が通過した各位置で発せられた光を積算したものになるため、粒子線の中心軸のある位置における中心軸に直交する面内の光量分布（線量分布）を精度よく測定することは難しい。また、特許文献２の技術では蛍光体の水溶液をファントムとして用いるが、水に溶かすことができる蛍光体の濃度には上限があるため、粒子線の通過により発せられる蛍光の強度をある程度以上大きくすることは難しい。また、特許文献３の技術では水そのものの発光であるため、光の強度は微弱である。このため、光の強度によって測定する放射線の線量分布の精度をある程度以上に向上させることは難しいという課題もある。

特許文献４に記載の技術は、銀活性リン酸塩ガラス板を、水中の線量分布を測定したい位置に配置し、放射線を照射した後、銀活性リン酸塩ガラス板を取り出して紫外線を照射して励起する必要があるため、１回の測定に手間と時間がかかる。このため、短時間で粒子線のビームプロファイルを測定するのは難しい。

本発明の目的は、水中の粒子線のビームプロファイルを短時間に簡便に測定することのできる検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、水槽と、前記水槽内に配置され、粒子線の照射を受けて蛍光を発する板状の蛍光体と、前記水槽の外に配置され、前記水槽を通過した前記蛍光を受光して、前記蛍光の受光面における強度分布を検出する光検出器とを有する粒子線ビームプロファイル検出器が提供される。

本発明によれば、水中の粒子線のビームプロファイルを短時間に簡便に測定することのできる検出器を提供することができる。

実施形態の粒子線治療装置の全体構造を示すブロック図 実施形態の粒子線ビームプロファイル検出器１００の構成を示す側面図 （ａ）従来技術のイオンチェンバーで線量分布を測定する場合の測定点を示すグラフ、（ｂ）実施形態で測定される蛍光の２次元強度分布と、そのＤ−Ｄ’線上の線量分布を示すグラフ 実施形態２の粒子線ビームプロファイル検出器の構成を示す側面図 （ａ）粒子線２１の中心軸を含む面内（ｘｚ面）における広がりを示す説明図、（ｂ）粒子線２１の中心軸（ｚ方向）の線量分布を示すグラフ、（ｃ）粒子線の中心軸に垂直な方向（ｘ方向）の線量分布を示すグラフ 実施形態２の粒子線照射装置の粒子線治療装置の治療計画装置の構成を示すブロック図 実施形態２の粒子線ビームプロファイル検出器の制御動作を示すフローチャート 実施形態２の粒子線治療装置において表示装置に表示される直近および過去の粒子線線量分布測定結果を示す表示画面例の説明図 実施形態３の検出器を構成を示す斜視図 (ａ)および（ｂ）比較例の測定方法を示す説明図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。

＜＜実施形態１＞＞
本実施形態の粒子線ビームプロファイル検出器を備えた粒子線治療装置について説明する。まず、図１を用いて粒子線治療装置の全体構造について説明する。

粒子線治療装置は、図１に示すように、被検体（治療対象）を搭載するための治療台１５と、粒子を加速する加速器１２と、加速器１２から出射された粒子線を被検体近傍まで輸送するビーム輸送系１３と、ビーム輸送系１３で輸送された粒子線を被検体に向かって照射する照射ノズル１４とを備えている。粒子線の線量分布（ビームプロファイル）の測定時には、図１のように治療台１５の上に、図２に示す構造の粒子線ビームプロファイル検出器１００が配置される。

なお、図１の粒子線治療装置では、加速器１２として、入射器１１が接続されたシンクロトロン加速器を用いる例を示したが、サイクロトロン加速器等の他の構成の加速器を用いることももちろん可能である。入射器１１としては、線形加速器を用いることができる。また、図１では、ビーム輸送系１３と照射ノズル１４は、回転ガントリー（不図示）に搭載され、被検体の周囲を回動可能な構成の例を示したが、固定されていても良い。

また、入射器１１、加速器１２およびビーム輸送系１３には、これらの動作を制御するビーム制御装置６２が接続される。粒子線ビームプロファイル検出器１００には、ビームプロファイル検出制御装置６１が接続される。また、ビームプロファイル検出制御装置６１には、治療計画装置６３が接続され、測定した粒子線のビームプロファイル（線量分布）を用いて最適な治療計画を作成する。被検体の治療時には、ビーム制御装置６２は、治療計画装置６３が作成した治療計画に沿って粒子線を被検体に対して照射する。

つぎに、粒子線ビームプロファイル検出器１００の構成を図２を用いて説明する。

粒子線ビームプロファイル検出器１００は、水槽４０と、水槽４０内に配置され、粒子線２１の照射を受けて蛍光を発する薄い板状または膜状（以下、これらをまとめて板状と呼ぶ）の蛍光体５１と、水槽４０の外に配置された光検出器５５とを備えている。光検出器５５は、蛍光体５１から発せられ、水槽４０を通過した蛍光３１を受光して、受光面における蛍光３１の強度分布を検出する。

このような構成において水槽４０内に、密度が人体に近い水４３を入れ、水４３中に板状の蛍光体５１を配置して、粒子線２１を照射ノズル１４から照射することにより、人体の内部におけるのと近い粒子線２１の線量分布を水中で生じさせる。蛍光体５１は、蛍光体５１が配置された位置における粒子線２１の線量分布に対応した強度分布の蛍光を発する。よって、発せられた蛍光のうち水槽４０を通過した蛍光３１を光検出器５５により受光して、受光面における光の強度分布を測定することにより、蛍光体５１の位置における線量分布（ビームプロファイル）を測定することができる。

このとき、板状の蛍光体５１を、粒子線２１の中心軸上の所望の位置であって、粒子線２１の中心軸に垂直な面内に配置することにより、その面内における粒子線２１の線量分布（ビームプロファイル）を一度に蛍光の強度分布に変換して測定することができる。よって、イオンチェンバーによってその位置を少しずつずらしながら線量を検出する場合よりも短時間でビームプロファイルを測定できる。

また、本実施形態の粒子線ビームプロファイル検出器１００は、粒子線の線量分布を水中で蛍光の強度分布に変換し、蛍光に水槽４０を通過させる構成であるため、粒子線が水槽４０の影響を受けない。よって、蛍光は、粒子線の線量分布を正確に反映している。蛍光は、蛍光波長を透過する透明な水槽４０を通過し、光検出器５５に検出される。水槽４０を通過する際の蛍光の散乱と屈折は、予め測定しておき、その影響を構成する較正パターンを用意しておくことで補正可能である。

したがって、粒子線２１に水槽４０を通過させてから蛍光体に照射する場合と比較して、蛍光を水槽４０に通過させる本実施形態の構成は、水槽４０を通過する際に生じる粒子線の散乱の影響を受けることがなく、人体内の線量分布に対応した水中の線量分布を精度よく、かつ、高速に測定することができる。

また、板状の蛍光体５１は、水に蛍光体を溶かした水溶液と比較して、蛍光体の濃度が高いため、強度の大きな蛍光を発することができる。よって、光検出器５５は、受光面において蛍光の強度分布を精度よく検出することができる。

このように、本実施形態では、粒子線照射装置から照射される粒子線の線量分布を所望の方向についてを短時間に簡便に測定することができる。

具体的には、図２の構造の粒子線ビームプロファイル検出器は、板状の蛍光体５１が、水槽４０の底面に配置されている。粒子線２１は照射ノズル１４から出射され、水槽４０に蓄えられた水４３を深さ方向に通過して、底面の蛍光体５１に到達し、蛍光体５１に照射される。蛍光体５１は、上方から粒子線２１の照射を受けて、少なくとも水槽４０の底面部材４１に向かって蛍光を発する構造である。

板状の蛍光体５１としては、例えば、蛍光体粒子層を板状の支持体に搭載した構造のものを用いることができる。この場合、蛍光体粒子層を水槽４０の底面部材４１に向けて、板状の支持体を上方に向けて配置することにより、粒子線２１は、支持体を通過して蛍光体粒子層に到達し、蛍光体粒子層は底面部材４１に向かって蛍光を発する。また、蛍光体粒子層を上方に向け、支持体を底面部材４１に向けた配置することも可能である。この場合、蛍光体粒子層から発せられた蛍光が支持体を透過して底面部材４１に向かうように、支持体としては蛍光体粒子層から発せられた蛍光を透過する材質で構成されたものを用いる。

板状の蛍光体５１としては、蛍光体を含有するセラミック、ガラス、または樹脂によって構成されているものを用いることも可能である。この場合、自己支持性のある蛍光体５１を構成することができるため、蛍光体５１は、支持体を備えない構成にすることも可能である。

また、板状の蛍光体５１は、放射線のエネルギーを光に変換することができるものであれば、どのようなものでもよい。ここでいう、蛍光体（蛍光物質）とは、放射線によって励起され、蛍光を発しながら低いエネルギーに遷移する物質をいう。

蛍光体５１が、蛍光体粒子層を板状の支持体に搭載した構造である場合、支持体としては、例えば紙を用いることができる。このような支持体に、蛍光体粉末を溶剤に溶かしたものを塗布した後乾燥させることにより製造することができる。この構成の蛍光体５１は、薄いため、光検出器５５の受光面にくっきりした像を結ぶことができ、発光量も多いというメリットがある。ただし、支持体および蛍光体粒子層が水４３で濡れないように、全体を樹脂で覆う等の防水加工を施すことが望ましい。具体的には例えば、蛍光体５１の両側を薄い（数十〜数百μｍ程度）プラスチック膜で覆い、辺縁を接着剤または熱で封じた構成とする。また例えば、蛍光体５１の両側にプラスチックを蒸着することにより防水加工する事も考えられる。蛍光体５１を覆うプラスチックからなる防水層は、いずれにしても、水槽４０の底面部材４１の厚さ（一般的には、２〜５ｃｍ厚さ）と比べて十分薄いため、粒子線２１が通過した場合に粒子線２１が散乱する現象も微小である。

一方、板状の蛍光体５１として、蛍光体を含有するセラミック、ガラス、または樹脂によって構成する場合、例えば、蛍光物質の粉末をセラミック、ガラス、またはプラスチック中に分散させた後、成形したものを用いることができる。これらの場合、セラミック、ガラス、または樹脂によって、蛍光体へ水が到達するのを防止することができるため、別途の防水加工を省略できる場合がある。

なお、水槽４０のうち少なくとも蛍光３１が通過する領域は、蛍光３１を透過する部材で構成されている。また、この部材は、蛍光の反射防止構造を有することが望ましい。例えば、図２の構成では、蛍光３１が水槽４０の底面部材４１を通過する。このため、透明な水槽４０の底面部材４１で光が乱反射し、光検出器５５上の像がぼやける事を防ぐため、底面部材４１として、乱反射防止構造（例えば所定の凹凸構造）が設けられたガラスを使用することが好ましい。また、底面部材４１を構成する樹脂やガラスに、反射光を遮断する偏光フィルムを張り付けてもよい。

また、水槽４０の底面部材４１を通過する際の光の屈折角度には波長依存性があるため、底面部材４１と光検出器５５との間の光軸上に、蛍光３１の波長を選択的に透過する光学フィルタを設置してもよい。これにより、蛍光３１のみを光検出器５５に到達させることができる。

また、光学フィルタを光検出器５５の前に設置することにより、大線量の粒子線２１のビームプロファイルを測定する際に、光検出器５５に到達する蛍光３１の強度を光検出器５５が検出可能な範囲の強度まで低下させることもできる。

光検出器５５は、水槽４０の底面部材４１を透過した蛍光３１を検出する位置に配置されている。光検出器５５としては、受光面における光量分布が検出できるものであればどのようなものでもよく、例えば、CCDやCMOSカメラや、複数の半導体光検出器を２次元アレイに配列したもの等を用いることができる。また、光検出器５５がレンズを内蔵していてもよい。

これにより、光検出器５５は、図３（ｂ）の左側の図のように、粒子線２１の光軸に対して垂直な面内における蛍光の強度分布を２次元に検出することができる。この蛍光の強度分布を予め求めておいた蛍光強度と線量との関係に基づいて補正することにより、粒子線２１の光軸に対して垂直な面内におけるビームプロファイルを２次元に求めることができる。図３（ｂ）の右側の図は、左側の図に示したＤ−Ｄ’の線上の線量分布を示すグラフである。

本実施形態の粒子線ビームプロファイル検出器１００を用いることにより、２次元のビームプロファイルが一度の測定で得られるため、比較例として図３（ａ）に示すように、イオンチェンバーを用いて１点ずつ測定している場合よりも、短時間で精度よく線量分布を測定することができる。

なお、上述の実施形態１において、光検出器５５は、粒子線２１が当たらない場所にあることが、耐久性の面で望ましい。そのため、例えば、図２の構造のように、光検出器５５は、粒子線２１の直下ではなく、少し離れた場所に配置することができる。この場合、水槽４０の底面部材４１と光検出器５５との間には、蛍光３１を偏向させ光検出器５５に到達させる偏向部材（ミラー）５２が配置されている。偏向部材５２は、支持構造５３によって支持され、しかも、回転軸５４を中心に回動可能な構成である。

また、光検出器５５を水槽４０の底面部材４１に近い場所に配置し、光検出器５５の上部を鉛などで遮蔽しても良い。

図２の構造では、光検出器５５は、筐体５０の内部に配置され、筐体５０は、蛍光３１が通過する領域を除いて暗室構造であることが望ましい。これにより、治療台１５が配置されている環境からの光が、光検出器５５の測定結果を与える影響を低減できる。水槽４０は筐体５０の上に搭載され、筐体５０は水槽４０を支持する支持台の機能を兼用している。水槽４０は、筐体５０から脱着可能な構造にしても良い。

また、光検出器５５の受光面において、鮮明で歪みの少ない蛍光３１の像を結像させるため、鏡を支持し、その位置や角度を調整する構造５４をさらに配置してもよい。

また、光検出器５５の位置、距離を調整するため、光検出器５５は、光学ステージ１５６に搭載されていることが望ましい。

本実施形態では、光検出器５５を水槽４０の外に配置しているため、視野が広く、歪みの少ない像を撮影することができる。また、光検出器５５やそのケーブルの防水加工が不要であり、粒子線ビームプロファイル検出器１００の耐久性が高い。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態２の粒子線ビームプロファイル検出器１００について説明する。

実施形態１の粒子線ビームプロファイル検出器では、蛍光体５１が水槽４０の底面に配置される構成であるため、粒子線の中心軸に直交する面内の２次元の線量分布（ビームプロファイル）を測定できるが、粒子線の中心軸上の異なる複数の位置でビームプロファイルをそれぞれ測定する場合、水槽４０の水の深さを変えて、複数回測定を行う必要がある。そこで、実施形態２の粒子線ビームプロファイル検出器１００では、図４に示すように、板状の蛍光体５１を水槽４０内で上下動させる蛍光体駆動部７０を配置し、水槽４０の水の深さを変えることなく、水面から蛍光体５１まで距離を変更できるようにした。

具体的には、蛍光体駆動部７０は、水槽４０の内壁に深さ方向に備えられた軌道７２と、蛍光体５１を底面に平行に保持して軌道７２に沿って移動する駆動部７１と、を含む。軌道７２は、水槽４０の内壁に深さ方向に平行に配置され、駆動部７１は、モータと車輪等を含み、軌道７２に沿って移動することにより、蛍光体５１を底面に平行に保ったまま水の深さ方向に上下動させる。

また、水槽４０の底面部材４１と光検出器５５との間には、底面部材４１を透過した蛍光３１を光検出器５５に向かって集光する集光光学系７３と、集光光学系７３の光検出器５５に対する距離を可変にする駆動部５６，７４とがさらに配置されている。具体的には、光検出器５５は、駆動部５６に搭載され、集光光学系７３は、駆動部７４に搭載されている。光検出器５５と偏向部材５２との間には、蛍光３１の光軸に沿って軌道７５が配置されている。駆動部５６，５７は、いずれもモータと車輪等を含み、それぞれ独立して、軌道７５上を移動することができる。この機構により、集光光学系７３の光検出器５５に対する位置を調整することにより、蛍光体５１が上下動した場合でも、光検出器５５の受光面に、蛍光３１を結像させることができる。

ビームプロファイル検出制御装置６１内には、図４に示すように駆動制御部６１ａが配置されている。駆動制御部６１ａは、蛍光体５１の駆動部７０と、光検出器５５の駆動部５６と、集光光学系７３の駆動部７４を制御することにより、蛍光体５１の上下動に応じて、集光光学系７３の光検出器５５に対する位置を予め定めた位置に配置する。これにより、蛍光体５１を上下動させて、水面からの距離（深さ）を所定の範囲で変化させながら、蛍光体５１からの蛍光３１を集光光学系７３で集光して蛍光検出器５５の受光面に常に結像させることができる。

よって、粒子線の中心軸の各深さに蛍光体５１を移動させて、その都度、中心軸に垂直な面内の線量の２次元分布を測定することにより、複数の深さにおける粒子線の２次元の線量分布（ビームプロファイル）、または、３次元の線量分布を得ることができる。

また、粒子線の中心軸に垂直な面内の線量の和を、深さごとに求めることにより、図５（ｂ）のように粒子線の中心軸方向の線量分布を得ることができる。
なお、駆動制御部６１ａは、光検出器５５の駆動部５６や集光光学系７３の駆動部７４の制御を、位置を指示する位置制御で行ってもよいし、移動量を指示する制御で行ってもよい。位置制御の場合、駆動部５６、７４に、例えば、レーザーを用いて基準物との距離を測定することにより、位置を検出する構造を備える移動量で制御する場合、駆動部５６、７４は、モータ或いは車輪の回転数で移動量を測定する構造や、軌道上に付した印を読み取ることで移動量を推定する構造を備えることが望ましい。

一方、治療計画装置６３内には、図６に示すように治療領域設定部６３ａと、照射位置最適化計画部６３ｂと、粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃとが備えられている。治療領域設定部６３ａは、ユーザに被検体のＣＴ画像等を表示し、その画像上で被検体内の治療すべき領域の設定を受け付ける等することにより、治療領域を設定する。粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃは、粒子線ビームプロファイル検出制御装置６１から測定した粒子線ビームプロファイルを受け取って格納する。照射位置最適化計画部６３ｂは、治療領域の全体に所定線量以上の粒子線を照射するための、粒子線を照射すべき複数スポットの配置（治療計画）を最適化計算により作成する。

＜ビームプロファイル測定＞
ここで、粒子線治療装置の粒子線ビームプロファイルの検出時の各部の動作について説明する。

ユーザまたはオペレータは、治療室８１内の治療台１５の上に、粒子線ビームプロファイル検出器１００を設置する。このとき、照射ノズル１４から照射される粒子線が、水槽４０の上部開口から深さ方向に進んで蛍光体５１に到達するように、照射ノズル１４と粒子線ビームプロファイル検出器１００の位置合わせをする。水槽４０には、ビームプロファイルを測定する深さ方向の範囲が水中に入るように、所定の深さまで水を満たしておく。なお、ここでは深さ方向（粒子線の軸方向）の測定範囲は、予め定められている場合について説明するが、測定範囲を不図示の入力手段を介して、ユーザから受け付ける構成にしてもよい。

制御室８２には、粒子線ビームプロファイル検出制御装置６１と治療計画装置６３が配置されている。ビームプロファイル検出制御装置（以下、単に制御装置とも呼ぶ）６１は、メモリとＣＰＵとを内蔵しており、メモリに予め格納されたプログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより図７のフローのように各部を制御し、ビームプロファイルを測定する機能をソフトウエアにより実現する。ただし、本実施形態のビームプロファイル検出制御装置６１は、その一部または全部をハードウエアによって実現することも可能である。例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣを用いてビームプロファイル検出制御装置６１を構成し、その機能を実現するように回路設計を行えばよい。

まず、制御装置６１は、粒子線の軸方向の予め定めておいた測定範囲内の予め定めた開始位置に蛍光体５１を配置するように、駆動制御部６１ａに指示する（ステップ７０１）。駆動制御部６１ａは、蛍光体５１を保持する駆動部７１を駆動し、軌道７２に沿って移動させることにより、予め定めた開始位置に蛍光体５１を配置する。また、同時に駆動制御部６１ａは、駆動部５６，７４を駆動し、蛍光体５１の位置に応じて、予め定めておいた位置に光検出器５５と集光光学系７３を配置する。

制御装置６１は、ビーム制御装置６２に粒子線の照射を指示する。ビーム制御装置６２が、加速器１２等を制御することにより、照射ノズル１４から粒子線が照射される（ステップ７０２）。ビームの照射は高速に行われる。一般的には、数ミリ秒から数十ミリ秒で開始、終了する。

粒子線２１は、主平面が粒子線２１の軸方向に直交するように配置された蛍光体５１に照射され、蛍光体５１は蛍光体５１の主平面における線量分布（ビームプロファイル）に対応した強度分布の蛍光３１を発する。蛍光は、水槽４０の底面を透過し、偏向部材５２により偏向され、集光光学系７３により集光され、光検出器５５の受光面に結像される。

光検出器５５は、受光面の蛍光の強度分布を検出する（ステップ７０３）。このとき、光検出器５５が強度分布を検出するタイミングは、制御装置６１が制御する。例えば、光検出器５５がカメラの場合には、撮像するタイミング、例えばシャッタを、制御装置６１がビーム制御装置６２に粒子線を照射を指示する出射信号をトリガーとして開閉することにより、粒子線の照射と蛍光の検出とを同期させることができる。
ビームプロファイル検出制御装置６１は、光検出器５５が検出した蛍光の強度分布を受け取って、予め求めておいた数式を用いて較正することにより粒子線の線量分布（ビームプロファイル）に変換し、内蔵するメモリに格納する。蛍光体５１の発光量と照射される放射線２１の線量は、比例関係に近い事が分かっているが、測定する前に両者の関係（線形性）を求めて、較正する。また、蛍光の水槽４０の底面板を通過する際の屈折等についても予め測定しておき、ビームプロファイルを較正する。

制御装置６１は、蛍光体５１の位置を予め定めた深さだけ移動させるように駆動制御部６１ａに指示する（ステップ７０４）。駆動制御部６１ａは、駆動部７１を制御して蛍光体５１を移動させるとともに、駆動部５６、７４を制御して、蛍光５１の発する蛍光３１が受光面に結像するように、光検出器５５と集光光学系７３も移動させる。

そして、ステップ７０２に戻って、制御装置６１は、粒子線を照射させ、蛍光体５１の現在の位置における強度分布を検出させ、粒子線の線量分布（ビームプロファイル）に変換して、内蔵するメモリに格納する（ステップ７０２〜７０１）。これらの動作を、蛍光体５１が、測定範囲（深さ方向）のすべての測定位置に配置されるまで繰り返す（ステップ７０５）。測定範囲のすべての測定位置の線量分布を測定したならば、制御装置６１は、メモリに格納してきた各位置におけるビームプロファイルを治療計画装置６３の粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃに格納する（ステップ７０６）。粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃに格納するデータは、図５（ｃ）のように、深さ方向の各位置における２次元のビームプロファイルのデータの集合であってもよいし、３次元ビームプロファイルデータであってもよい。また、制御装置６１は、深さ方向の各位置における２次元のビームプロファイルから、図５（ｂ）のように、粒子線の軸方向の線量分布を算出して、粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃに格納する。

制御装置６１は、図８に示したように、格納した２次元ビームプロファイルまたは３次元ビームプロファイルを表示装置６５に表示させる。これにより、ユーザは、現在の粒子線の線量分布を表示装置６５の表示により確認することができる。また、粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃをデータベース構造とし、制御装置６１が、粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃにビームプロファイルを時系列に格納する構成としてもよい。これにより、データベース内の時系列なビームプロファイルを図８のように表示装置６５に表示することが可能になるため、ユーザは、時系列なビームプロファイルの変化を確認することも可能になる。

治療計画装置６３の治療計画の作成手順について簡単に説明する。治療計画装置６３の治療領域設定部６３ａは、予めＸ線ＣＴ装置等により撮影された被検体の画像を表示装置６５等に表示する。不図示の入出力装置を介して、ユーザが治療領域を画像上で設定する等することにより、治療領域を設定したならば、治療領域設定部６３ａをこれを受け付ける。照射位置最適化計画部６３ｂは、設定された治療領域を治療領域設定部６３ａから受け取るとともに、粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃから粒子線の軸方向の各深さでの線量分布（ビームプロファイル）を受け取って、治療領域全体にまんべんなく、所定値以上の線量が照射するための粒子線照射位置（スポット位置）を最適化計算により決定する。

これにより、治療計画装置６３は、治療計画を作成することができる。このとき、本実施形態では、実際に照射される粒子線のビームプロファイルの測定結果が粒子線ビームプロファイル格納部６３ｃに格納されているため、治療計画装置６３は、このビームプロファイルを用いて治療領域全体にまんべんなく所定値以上の線量を照射する治療計画を精度よく作成することができる。

実際の治療時には、治療台１５から粒子線ビームプロファイル検出器１００を下ろし、被検体を搭載して粒子線２１の軸方向と被検体とを位置合わせし、治療計画で設定された粒子線照射位置に粒子線２１をそれぞれ照射する。

本実施形態では、使用場所に設置後の粒子線治療装置において、粒子線ビームプロファイルを実測した結果を用いて、治療計画を作成できるため、照射精度を向上させることができる。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態１および２の粒子線ビームプロファイル検出器１００は、蛍光体５１の主平面を、粒子線の中心軸に直交するように配置し、その面内の線量分布（ビームプロファイル）を測定する構成であったが、実施形態３の粒子線ビームプロファイル検出器は、図９のように、蛍光体５１を、その主平面が粒子線２１の中心軸に一致するように配置した構成である。光検出器５５は、水槽４０の側方に配置される。

このような配置では、蛍光体５１は、粒子線２１の中心軸に沿って線状に蛍光を発光する。蛍光の光量分布は、粒子線２１の中心軸方向の線量分布に対応する。蛍光体５１から発せられた蛍光、水槽４０の側面へ向かって進み、水槽４０の側面部材４２を透過する。よって、光検出器５５は、側面部材４２を透過した蛍光を検出する。

粒子線２１の軸方向の蛍光の強度分布を、予め求めておいた蛍光強度と線量との関係を用いて較正することにより、粒子線軸方向の線量分布（ビームプロファイル）（図５（ｂ）参照）を求めることができる。

蛍光体５１を粒子線２１の軸方向に回転させて、複数の回転角度について線量分布を求めることにより、粒子線２１の３次元ビームプロファイルを求めることが可能である。

他の構成は、実施形態１，２と同様であるので説明を省略する。

なお、上述してきた実施形態１〜３では、人体を模擬した水の中に蛍光体５１を配置する構成であるが、必ずしも水中でなくともよく、水以外のファントムや空気中に蛍光体５１を配置してビームプロファイルを測定することも可能である。

＜＜比較例＞＞
比較例として、水槽４０の底面部材４１や側面部材４２の外側に蛍光体５１を配置し、他の構成は実施形態１と同様にした構成の粒子線ビームプロファイル検出器で線量分布を測定する方法について検討する。

水槽４０の外に蛍光体を配置した場合、粒子線２１は、水と水槽４０の底面部材または側面部材を通過した後、蛍光体に到達する。例えば、図１０（ａ）に示すように、水の深さ２０ｃｍの水槽４０の底面部材４１（１〜２ｃｍ）の下面に蛍光体を配置すると、蛍光体に到達する粒子線２１は、２０ｃｍの水で徐々に散乱された後、水槽４０の底面部材４１によって、さらに散乱された線量分布になる。そのため、蛍光体５１は、水槽４０の底面部材４１による散乱分も加味された線量分布を蛍光に変換するため、線量分布の検出精度が低下する。

水槽４０による散乱の影響を除去するため、仮に、水槽４０の底面部材４１の厚さを水等価厚さに換算し、その分だけ水を減らした場合、粒子線の飛程を合わせることはできるが、水槽４０による散乱の影響を除去することはできない。例えば、２ｃｍの水槽４０の底面部材４１による粒子線の飛程損失(通過する物質厚[g/cm²])が２．２ｃｍの水に相当する場合、水の深さを１７．８ｃｍにすることにより、１７．８ｃｍの水と２ｃｍの水槽４０の底面部材４１を通過した粒子線のエネルギー損失を、２０ｃｍの水を通過した粒子線のエネルギー損失と一致させることができる。しかしながら、このように水の深さを調節した場合であっても、散乱の度合いは異なる。なぜなら、粒子線の散乱の度合いは、物質を組成する元素に依存し、重い原子の近くほど散乱されやすい。そのため、ガラスまたは樹脂で作られる水槽４０による粒子線の散乱の影響を、水の深さの調節によって打ち消すことはできない。

一方、水槽４０による粒子線の散乱の影響を除去するために、図１０（ｂ）のように、水を入れていない状態で粒子線２１を照射して水槽４０により散乱した粒子線２１を蛍光体５１により測定し、その後、水を入れて水と水槽４０により散乱した粒子線２１を蛍光体５１による散乱を測定し、両者の差分を求めることにより、水のみによる粒子線２１の散乱の度合いを求めることも考えられる。しかしながら、物質中の粒子線の散乱のし易さは、エネルギーに依存し、エネルギーが高いビームは散乱されにくく、エネルギーが低いビームは顕著に散乱される。そのため、水の有無により、水槽４０の底面部材４１に到達する際の粒子線２１のエネルギーが異なる上記測定方法は、水の有無により水槽４０における散乱の度合いが異なるため、差分を求めても、水のみによる粒子線２１の散乱の度合いを求めることはできない。

また、水槽４０の底面部材４１や壁面部材を薄くして影響を抑えることも考えられるが、深さ３０ｃｍの水の水圧を受けても、たわみを生じることなく支える機能を維持する必要があり、ある程度以上に薄くすることは困難である。

以上のことから、蛍光体５１を水槽４０の底面部材４１や側面部材の外側に配置する比較例の構成の粒子線ビームプロファイル検出器は、水槽４０による粒子線２１の散乱の影響を除去することが難しい。そのため、比較例の粒子線ビームプロファイル検出器は、実施形態１〜３の粒子線ビームプロファイル検出器１００のよりも粒子線の線量分布の測定精度が低下する。

１：粒子線治療装置
１１：入射器として使用される線形加速器
１２：シンクロトロン加速器
１３：ビーム輸送系
１４：照射ノズル
１５：治療台
２１：粒子線
４０：水槽
４１：水槽底面部材
４２：水槽側面部材
４３：水
５０：筐体
５１：蛍光体
５２：偏向部材
５３：支持構造
５４：回転軸
５５：光検出器
５６：駆動部
６１：ビームプロファイル検出制御装置
６１ａ：駆動制御部
６２：ビーム制御装置
６３：治療計画装置
７３：集光光学系
７４：駆動部
１００：粒子線ビームプロファイル検出器
１５６：光学ステージ

Claims (15)

1. 水槽と、前記水槽内に配置され、粒子線の照射を受けて蛍光を発する板状の蛍光体と、前記水槽の外に配置され、前記水槽を通過した前記蛍光を受光して、前記蛍光の受光面における強度分布を検出する光検出器とを有することを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
2. 請求項１に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記板状の蛍光体は、前記水槽の底面に配置され、上方から前記粒子線の照射を受けて、少なくとも前記水槽の底面に向かって前記蛍光を発し、
   前記光検出器は、前記水槽の前記底面を構成する部材を透過した前記蛍光を検出する位置に配置されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
3. 請求項２に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記板状の蛍光体を前記水槽内で上下動させる蛍光体駆動部をさらに有することを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
4. 請求項２に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記水槽の前記底面を構成する部材と前記光検出器との間には、前記底面を構成する部材を透過した前記蛍光を前記光検出器に向かって偏向させる偏向部材がさらに配置されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
5. 請求項３に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記水槽の前記底面を構成する部材と前記光検出器との間には、前記底面を構成する部材を透過した前記蛍光を前記光検出器に向かって集光する集光光学系と、前記集光光学系の前記光検出器に対する距離を可変にする駆動機構とがさらに配置されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
6. 請求項５に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記蛍光体駆動部による前記蛍光体の上下動に応じて、前記集光光学系の前記光検出器に対する位置を調整する駆動制御部とを有することを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
7. 請求項１に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記板状の蛍光体は、蛍光体粒子層を板状の支持体に搭載した構成であることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
8. 請求項１に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記板状の蛍光体は、蛍光体を含有するセラミック、ガラス、または樹脂によって構成されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
9. 請求項１に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記水槽のうち前記蛍光が通過する領域は、前記蛍光を透過する部材であって、前記蛍光の反射防止構造を有する部材によって構成されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
10. 請求項１に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記板状の蛍光体は、上方から前記水槽内に照射される粒子線の中心軸と主平面が一致するように配置され、前記粒子線の照射を受けて、前記水槽の側面へ向かって前記蛍光を発し、
    前記光検出器は、前記水槽の前記側面を構成する部材を透過した前記蛍光を検出する位置に配置されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
11. 請求項９に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記反射防止構造は、前記部材に設けられた凹凸構造、または、前記部材に取り付けられた偏光フィルムであることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
12. 請求項５に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であって、前記水槽の前記底面を構成する部材と前記光検出器との間には、蛍光波長を選択的に透過する光学フィルタが配置されていることを特徴とする粒子線ビームプロファイル検出器。
13. 治療対象を搭載するための治療台と、粒子を加速して粒子線を出射する加速器と、前記粒子線を前記治療対象に向かって照射する照射ノズルと、前記治療台に搭載されて前記粒子線の線量分布を測定する粒子線ビームプロファイル検出器とを有し、
    前記粒子線ビームプロファイル検出器は、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の粒子線ビームプロファイル検出器であること特徴とする粒子線治療装置。
14. 請求項１３の粒子線治療装置であって、ビームプロファイル格納部と、照射位置最適化計画部とをさらに有し、
    前記粒子線ビームプロファイル検出器は、粒子線の少なくとも中心軸に垂直な面内の線量分布を測定して、測定結果を前記ビームプロファイル格納部に格納し、
    前記照射位置最適化計画部は、前記ビームプロファイル格納部から前記線量分布を読み出して、当該線量分布を用いて前記治療対象の前記粒子線を照射すべき複数の位置を決定することを特徴とする粒子線治療装置。
15. コンピュータに、
    治療台に搭載された水槽内で、所定の深さまで板状の蛍光体を移動させるよう蛍光体の駆動部を制御するステップと、
    前記蛍光体に対して粒子線を照射するよう加速器を制御するステップと、
    前記蛍光体の発した蛍光の２次元強度分布を前記水槽の外に配置された光検出器により検出させ、検出された２次元強度分布を２次元線量分布に変換するステップと
    を実行させる粒子線ビームプロファイル検出プログラム。

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