JP2021069882A - 粒子線治療システム、粒子線照射判定装置、および、粒子線照射判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】治療中に粒子線が対象領域（腫瘍）に照射されているかどうかを確認することができる技術を提供する。【解決手段】粒子線を照射すべき対象領域内に、予め標識元素が含まれる被検体に対して、粒子線を照射する。粒子線を照射された被検体の組織が発生するガンマ線を検出する。検出されたガンマ線に、標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定する。上記エネルギ帯域のガンマ線が含まれる場合、対象領域に粒子線が当たっていると判定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、粒子線を腫瘍に照射する際に、粒子線が腫瘍へ照射されているかどうかを判別する技術に関する。

粒子線治療は、陽子や炭素等の粒子線を患者の腫瘍に対して照射することにより、腫瘍を治療する。粒子線治療において、粒子線は、粒子ビーム発生装置により粒子を加速することで生成され、ビーム輸送系によって治療室まで導かれ、治療室内の照射装置から患者の治療部位に向かって照射される。

特許文献１には、患者の粒子線が照射された位置から発生するガンマ線の分布を複数のガンマ線検出器で計測することにより、粒子線の照射位置を特定する技術が開示されている。特に、炭素線と陽子線のように複数種類の粒子線を照射可能な装置を用いる場合に、いずれの粒子線を照射した場合であっても照射位置を特定できるように、検出されたガンマ線が、即発ガンマ線に起因するか、または消滅ガンマ線に起因するかを判別して、粒子線の照射位置を求める技術が開示されている。

また、特許文献２の技術は、ホウ素を含む薬剤を投与した患者に中性子を照射して、ホウ素と中性子との核反応により発生する粒子線により治療を行う中性子捕捉療法において、治療中にリアルタイムに患者の血液をサンプリングし、ホウ素が中性子を吸収する中性子捕獲反応によって発生するガンマ線を計測することにより、血中のホウ素濃度を予測する。この技術では、予め測定しておいた正常細胞、腫瘍細胞および血中のホウ素濃度を用いて、患者の正常細胞と腫瘍細胞のそれぞれのホウ素濃度を計算し、中性子の照射により生じる患者の被曝線量を予測する。

特開２０１０−３２４５１号公報 特開２０１６−２１４７６０号公報

放射線治療では、治療を効率的に実施するために、粒子線が照射される領域と腫瘍の存在する領域とが精度よく一致していることが重要である。そのため、事前に取得したＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）画像に基づいて、治療部位である体内組織（腫瘍）の位置を特定し、腫瘍内に複数の照射位置を設定し、それぞれの照射位置へ粒子線を到達させるために必要な線量を定めることにより治療計画が作成されるのが一般的である。粒子線照射時には、治療計画にしたがって、患者が治療台の所定の位置に固定され、粒子線の照射方向、強度等を制御することにより、治療計画で設定された複数の照射位置にそれぞれ所定の線量で粒子線が順次照射される。

しかしながら、治療計画作成時点から粒子線照射時点までの間に、患者の体形が変化した場合や、治療中の患者の姿勢や呼吸動により、腫瘍の位置が、治療計画時の位置から変動していることがある。その場合、治療計画通りに粒子線を照射しても、腫瘍には照射されず、腫瘍の周囲の正常組織に照射されるということが起こり得る。このため、従来、危険臓器と呼ばれる放射線により深刻な損傷を受けやすい正常組織の近傍に腫瘍が存在する場合には、粒子線治療を適用することが難しかった。

このような理由から、粒子線が、治療部位である腫瘍に照射されていることを精度よく確認する技術の開発が望まれている。

特許文献１の技術では、発生したガンマ線の分布から、粒子線が照射された位置を特定することはできるが、その位置が、治療すべき部位（腫瘍）であったかどうかを判定することはできない。そのため、患者の体形の変化等により、腫瘍の位置が、治療計画の位置からずれていた場合には、粒子線が腫瘍に照射されたかどうかを確認することはできない。

一方、特許文献２に記載の技術では、血中のホウ素濃度から照射された患者の被曝線量は予測できるものの、粒子線が腫瘍に照射されているかどうかを確認することはできない。

本発明の目的は、上記課題に鑑みなされたものであって，治療中に粒子線が対象領域（腫瘍）に照射されているかどうかを確認することができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の粒子線治療システムは、粒子線を照射すべき対象領域内に、予め標識元素が含まれる被検体に対して、粒子線を照射する照射装置と、粒子線を照射された被検体の組織が発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、前記ガンマ線検出器により検出されたガンマ線に、標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定し、１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれる場合、対象領域に粒子線が当たっていると判定する照射判定部とを有する。

本発明によれば，腫瘍等の対象領域を標識元素で特徴づけ、標識元素由来のガンマ線を監視することで、粒子線の照射位置および腫瘍に照射されたかどうかを確認できるため、粒子線治療の適用部位の拡大および治療効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムの構成図の一例である。 本発明の第1の実施形態によるガンマ線検出器１２０で計測された即発ガンマ線の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）と、全吸収ピークを示すグラフ。 本発明の第1の実施形態によるガンマ線検出器１２０で計測された即発ガンマ線の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）と、２つの全吸収ピークを示すグラフ。 本発明の第1の実施形態によるガンマ線検出器１２０で計測された即発ガンマ線の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）と、エスケープピークを示すグラフ。 本発明の第1の実施形態の照射判定部１２２が、判定用エネルギ帯域を設定する処理を示すフローチャート。 本発明の第1の実施形態の粒子線治療システムが照射した粒子線が腫瘍へ当たったかどうかを判定する処理を示すフローチャート。 本発明の第1の実施形態の粒子線治療システムの判定結果を表示する画面の一例。 本発明の第1の実施形態の複数の標識元素を隣接させたマーカの形状を示す正面図。 本発明の第２の実施形態によるアレイ型ガンマ線検出器５０１の斜視図である。 本発明の第２の実施形態によるピンホールコリメータとアレイ型ガンマ線検出器５０１の斜視図である。 本発明の第３の実施形態による計測したガンマ線の波高値ごとの計数値のグラフと、バックグラウンドの３σの計数値の基準値を示すグラフ。 （Ａ）および（Ｂ）本発明の第４の実施形態による標識元素の濃度分布のある腫瘍への粒子線の照射位置と、計測されるガンマ線の波高値ごとの計数値を示す説明図である。

以下，本発明の実施形態を，図面を用いて説明する。
＜＜第１の実施形態＞＞
図１〜図４を用いて，本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療システムについて説明する。

＜前提＞
前提として、本実施形態の粒子線治療システムの照射対象である被検体（例えば患者）１００は、粒子線１１０を照射すべき対象領域（例えば腫瘍）１０１内に予め標識元素が含まれている。例えば、腫瘍に集積する性質を有し、かつ、標識元素が含まれる薬剤を、被検体は予め投与されており、対象領域に標識元素が集積している状態となっている。また、標識元素が含まれる固体または液体のマーカが、外科手術により、被検体１００の腫瘍内部または腫瘍近傍の位置に直接挿入されている状態となっている。

このとき、標識元素は、人体を構成する元素とは異なる元素を好適に用いることができる。また、人体に含まれる元素（例えば、Ｆｅ）であっても、人体における含有濃度が小さい場合には、腫瘍に高濃度に集積することにより、もしくはバルクとして挿入することにより、標識元素として用いることができる。例えば、Ｆ、Ｐｔ、Ｃｌ、Ａｕ、Ｆｅなどの元素を好適に用いることができる。

薬剤を投与することにより、標識元素を被検体１００に投入する場合には、例えば，Ｆを含む薬剤である18Ｆ-ＦＤＧ（フルオロデオキシグルコース）、Ｃｌを含むＴＳ-1（登録商標、大鵬薬品工業製）、Ｐｔを含むシスプラチン（シス-ジアミンジクロロ白金(II)）などの薬剤を用いることができる。また，外科手術により被検体に標識元素を投入する場合、例えばＰｔ，Ｆｅ，Ａｕなどのバルク金属やこれらを含む合金、および、ClやFを含む物質（例えばガラスやセラミックス等）により形成したマーカを１個以上腫瘍またはその近傍に埋め込むことができる。マーカは、１種類に限られず、複数種類組み合わせて配置することもできる。

なお，本実施形態において、標識元素の種類および投入方法は、上述したものに限定されるものではなく，種々の標識元素や投入方法を用いることができる。

＜第１の実施形態の概要＞
本実施形態の粒子線治療システムは、図１のように、粒子線照射装置１２７と、ガンマ線検出器１２０と、照射判定部１２２とを少なくとも備えて構成される。

粒子線照射装置１２７は、被検体１００に対して、粒子線１１０を照射する。ガンマ線検出器１２０は、粒子線１１０を照射された被検体１００の組織が発生するガンマ線３０を検出する。照射判定部１２２は、ガンマ線検出器１２０により検出されたガンマ線３０に、標識元素の種類に対応させて予め定めておいた１以上のエネルギ帯域（図２〜図４参照）のガンマ線、すなわち標識由来のガンマ線が含まれるかどうかを判定する。検出されたガンマ線に標識由来のガンマ線が含まれる場合、対象領域１０１に粒子線が当たっていると判定する。

このように本実施形態の粒子線治療システムは、腫瘍等の対象領域１０１に予め標識元素が集積または挿入等されている被検体１００に対して、粒子線１１０を照射し、標識元素由来のガンマ線を監視するにより、粒子線１１０が対象領域（腫瘍）１０１に照射されたかどうか（当たったかどうか）を確認できる。

また、粒子線治療システムは、検出したガンマ線３０から、その発生位置を推定することも可能であるため、粒子線１１０の照射位置を求めることもできる。

これらにより、本実施形態の粒子線治療システムは、粒子線１１０を腫瘍等の対象領域１０１の外側に位置する正常組織に照射する可能性を低減することができる。よって、粒子線１１０の照射により深刻な損傷を受けやすい正常組織１０２の近傍に腫瘍１０１が存在する場合であっても、粒子線治療を適用できる可能性を高めることができる。

また、本実施形態の粒子線治療システムは、粒子線１１０が腫瘍等の対象領域１０１に照射されていることを確認できるため、粒子線１１０の強度を大きく設定することが可能になり、治療効率を向上させることができる。

なお、照射判定部１２２が判定に用いるガンマ線のエネルギ帯域は、標識元素が粒子線１１０を照射された場合に発生する即発ガンマ線をガンマ線検出器１２０で検出した場合に計測される全吸収ピーク、および、１以上のエスケープピークのエネルギ帯域のうちの１以上に設定することが好ましい。

ガンマ線検出器１２０には、ガンマ線のエネルギごとの強度分布を求めるエネルギ分析部１２１が接続されていることが望ましい。エネルギ分析部１２１は、図２〜図４に一例を示したように、ガンマ線のエネルギごとの強度（ガンマ線スペクトル）を算出する。これにより、照射判定部１２２は、ガンマ線スペクトルに設定したエネルギ帯域にピークが含まれているかどうかを判定することにより、検出されたガンマ線３０に標識元素由来のガンマ線が含まれているかどうかを判定できる。

また、照射判定部１２２は、エネルギ分析部１２１が求めたガンマ線のエネルギごとの強度（ガンマ線スペクトル）から、設定したエネルギ帯域の標識元素由来のガンマ線の強度を求めることも可能である。これにより、照射判定部１２２は、標識元素由来のガンマ線の強度に基づいて、対象領域１０１に照射する粒子線の強度を調整することにより、対象領域１０１に所望の強度の粒子線を照射することが可能になる。

粒子線治療システムは、照射制御部１２５をさらに備えていてもよい。照射制御部１２５は、判定部１２２が対象領域１０１に粒子線１１０が当たっていないと判定した場合、照射装置１２７が被検体１００に粒子線１１０を照射する位置１３０を修正する制御を行う。

＜実施形態の粒子線治療システムの詳細＞
本実施形態による粒子線治療システムの詳しい構成と各部の役割を説明する。

図１は本実施形態による粒子線治療システムの構成図である。図２〜図４は、ガンマ線検出器１２０において計測された即発ガンマ線のエネルギ（波高値）分布を示すグラフである。

図１のように、粒子線治療システムは、粒子線照射装置１２７と、照射判定装置１とを備えている。照射判定装置１は、ガンマ線検出器１２０と、エネルギ分析部１２１と、照射判定部１２２と、照射制御部１２５とを有する。照射判定部１２２には、３次元情報データベース（ＤＢ）１２３と、ガンマ線計測データべース（ＤＢ）１２４が接続されている。

粒子線照射装置１２７は，寝台（不図示）に寝た状態で固定された被検体（以下、患者と呼ぶ）１００の体内の対象領域（以下、腫瘍と呼ぶ）１０１に粒子線１１０を照射する。

腫瘍１０１には，上述のように、粒子線１１０の照射前に予め標識元素が投入され、腫瘍１０１に集積されているか、もしくは、腫瘍１０１内または近傍に標識元素を含むマーカが外科的に挿入されているものとする。

ガンマ線検出器１２０は，入射したガンマ線を検出して電気的なパルス信号を出力する。パルス信号の波高値は、入射したガンマ線のエネルギに対応し、パルスの数は、ガンマ線の強度に対応している。
ガンマ線検出器１２０としては、例えば，Ｇｅ，Ｓｉ，ＣｄＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，ＴｉＢｒなどの半導体を用いた半導体検出器が使用できる。また、ガンマ線の照射を受けて蛍光を発するシンチレータと、シンチレータの発する蛍光を電子信号に変換する光電変換器とを組み合わせたガンマ線検出器１２０も使用できる。シンチレータとしては，感度，エネルギ分解能が高いものが望ましく，例えば，ＬａＢｒ₃、ＧＳＯ（Gd₂SiO₅:Ce）、ＬＹＳＯ（Cerium doped Lutetium Yttrium Orthosilicate）及びＢＧＯ(Bi₄Ge₃O₁₂)等の結晶を好適に使用することができる。また、光電変換器としては、例えば、光電子増倍管や、フォトダイオード等を採用することができる。

エネルギ分析部１２１は，ガンマ線検出器１２０が出力するパルス信号の波高値ごとのパルス数を計数することにより、図２〜図４に示すように波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）を求める。

照射判定部１２２は，エネルギ分析部１２１の出力するガンマ線スペクトルに基づいて、標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定する。これにより、標識元素が含まれる腫瘍身に粒子線が当たっているかを判定する。照射判定部１２２の判定処理についてはフローチャートを用いて後で説明する。

３次元情報ＤＢ１２３には、Ｘ線ＣＴ撮影等により取得した患者１００の３次元情報（腫瘍１０１の位置を含む）と、予め患者１００の腫瘍１０１に集積または挿入されている標識元素の種類や濃度が、予め格納されている。また、Ｘ線ＣＴ画像等に基づいて、別途定められた、腫瘍１０１内の粒子線を照射すべき複数の位置と、その位置に照射する粒子線１１０の強度とを定めた治療計画が、３次元情報ＤＢ１２３には格納されている。

エネルギ帯域ＤＢ１２４には、照射判定部１２２が、判定処理に用いる判定用エネルギ帯域（判定用波高値範囲とも呼ぶ）と、判定用強度（以下、判定用計数値とも呼ぶ）の基準値とが格納されている。この判定用エネルギ帯域と判定用強度の基準値は、予め計算や実測により求めた値であってもよいし、計算や実測により求めた値に基づいて設定した値であってもよい。また、判定用エネルギ帯域と判定用強度の基準値は、照射判定部１２２が、患者１００ごとにシミュレーションを行って設定してもよい。

（シミュレーションによる判定用エネルギ帯域の設定）
判定用エネルギ帯域と判定用の強度の基準値を、照射判定部１２２が、患者１００ごとにシミュレーションを行って設定する処理について説明する。

この処理は、照射判定部１２２が、患者１００の３次元情報や、標識元素の種類や濃度、照射される粒子線１１０の位置や強度（照射線量）等の情報を用いて、患者１００への粒子線の照射位置ごとにシミュレーションを行って、判定用のエネルギ帯域（波高値の範囲）と、判定用の強度（計数値）の基準値を設定する処理である。具体的には、照射判定部１２２は、照射位置の標識元素から発生し、ガンマ線検出器１２０に到達するガンマ線のスペクトルをシミュレーションにより算出する。そして、算出したガンマ線スペクトルに基づき、判定用のエネルギ帯域（波高値の範囲）と、判定用の強度（計数値）の基準値を設定し、設定した値をエネルギ帯域ＤＢ１２４に格納する。

以下、照射判定部１２２が、患者１００ごとにシミュレーションを行って、判定用のエネルギ帯域（波高値の範囲）と、判定用の強度（計数値）の基準値を求める処理について図５のフローを用いてさらに詳しく説明する。

なお、ここでは、照射判定部１２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサーと、メモリとを備えたコンピュータ等によって構成され、ＣＰＵが、メモリに格納されたプログラムを読み込んで実行することにより、照射判定部１２２の機能をソフトウエアにより実現する構成である。ただし、照射判定部１２２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を用いて照射判定部１２２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、照射判定部１２２は、患者３次元情報ＤＢ１２３から、患者１００の３次元情報、標識元素の種類や濃度、治療計画で定められている粒子線の照射位置および照射線量を取り込む（ステップ５１）。

照射判定部１２２は、照射粒子線１１０と腫瘍１０１内の標識元素との相互作用によって発生する即発ガンマ線であって、ガンマ線検出器１２０に到達して計測されるガンマ線の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）（ガンマ線スペクトル）をシミュレーションにより計算する（ステップ５２）。

ステップ５２のシミュレーションは，ステップ５１で取り込んだ各条件と、腫瘍１０１とガンマ線検出器１２０の位置関係とを用いて、例えばモンテカルロ法を用いて計算する。このときのガンマ線検出器１２０と腫瘍１０１の位置関係は，治療室内のガンマ線検出器１２０の位置とアイソセンタ（粒子線の照射位置）との位置関係を用いて定めてもよいし、患者１００が寝ている治療台とガンマ線検出器１２０の位置関係から算出して用いてもよい。また，図示していないが，ガンマ線検出器１２０が，粒子線照射位置の変更に伴って移動する移動機構に搭載されている場合には、ガンマ線検出器１２０の移動後の位置と照射位置との位置関係を反映させて、上記シミュレーションを行う。

照射判定部１２２が、シミュレーションを行って求めた、標識元素由来のガンマ線の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）（ガンマ線スペクトル）は、患者１００と粒子線の照射位置とその照射線量とに対応させて、エネルギ帯域ＤＢ１２４に格納する。

また、照射判定部１２２は、シミュレーションを行って求めた、標識元素由来のガンマ線のスペクトルに基づいて、標識元素由来のガンマ線の判定に用いる判定用波高値範囲（判定用エネルギ帯域）と、判定用計数値（強度）の基準値とを設定する。例えば、シミュレーションを行って求めたガンマ線スペクトルのピークのうち、標識元素によって予めわかっている全吸収ピークの波高値に位置するピーク（すなわち全吸収ピーク）が含まれるように、判定用波高値範囲（判定用エネルギー帯域）を設定する。さらに、そのピークの計数値（強度）を判定用計数値（強度）の基準値として設定する（図２参照）（ステップ５３）。

判定用波高値範囲（判定用エネルギー帯域）を設定する際に用いる上述の全吸収ピークは、１つの全吸収ピークであってもよいし、帯域の異なる複数の全吸収ピークを用いてもよい（図３参照）。また、全吸収ピークから０．５１１ＭｅＶおよび１．０２２ＭｅＶだけ低い波高値にそれぞれ位置するシングルエスケープピークおよびダブルエスケープピークの一方または両方に、判定用波高値範囲（判定用エネルギー帯域）を設定してもよい（図４参照）。または，全吸収ピークおよびエスケープピークの両方に、判定用の波高値の範囲（エネルギー帯域）を設定してもよい。

照射判定部１２２は、設定した判定用波高値範囲（判定用エネルギ帯域）と、判定用計数値（強度）の基準値を、患者１００と粒子線の照射位置と、その照射線量とに対応させて、エネルギ帯域ＤＢ１２４に格納する（ステップ５４）。

（粒子線治療システムの各部の動作）
つぎに、実際に患者１００に粒子線を照射する行う際の粒子線治療システムの各部の動作について図６のフローを用いて説明する。

前提として、患者１００の腫瘍１０１には、標識元素が集積または挿入されている。患者１００は、治療台（不図示）に固定されている。また、患者１００について、予め撮影したＸ線ＣＴ画像に基づき、腫瘍１０１への複数の粒子線照射位置と、照射位置ごとの照射線量を定める治療計画が作成済みである。また、３次元情報ＤＢ１２３には、患者１００の３次元情報（腫瘍１０１の位置を含む）と、治療計画とが格納されている。エネルギ帯域ＤＢ１２４には、判定用波高値範囲（判定用エネルギ帯域）と、判定用計数値（強度）の基準値とが格納されている。

照射制御部１２５は、粒子線照射装置１２７を制御し、予備照射として、治療計画で設定されている複数の照射位置のうち予め定めておいた一つの照射位置１３０に、治療計画で定められた線量の粒子線を照射させる（ステップ６１）。

この予備照射により、照射位置１３０の組織を構成する元素から即発ガンマ線が発生し、ガンマ線検出器１２０は、到達したガンマ線を検出し、パルス信号を出力する（ステップ６２）。

エネルギ分析部１２１は、ガンマ線検出器１２０の出力するパルス信号の波高値ごとに、パルス数をカウントする。これにより、図２〜図４に示すように、波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）（ガンマ線スペクトル）を算出する（ステップ６３）。

照射判定部１２２は、３次元情報ＤＢ１２３に格納されている判定用波高値範囲（判定用エネルギー帯域）と判定用計数値（強度）の基準値を読み出し、ステップ６３で算出した予備照射時の波高値（エネルギ）ごとの計数値（強度）に対して、判定用波高値範囲（判定用エネルギー帯域）を図２〜図４のように設定し、設定した判定用波高値範囲内に位置するピークを選択する。さらに、選択したピークの計数値を求める(ステップ６３）。

例えば、図２の例では、ステップ６３で計測された波高値（エネルギ）による計数値（強度）の分布（ガンマ線スペクトル）に、照射判定部１２２が判定用波高値範囲を設定することにより、複数のピークの中から、一つの全吸収ピークが選択されている。図３の例では、２つの全吸収ピークが選択されている。図４の例では、２つの全吸収ピークについてのそれぞれ２種類のエスケープピーク（シングルエスケープピークとダブルエスケープピーク）が選択されている。

つぎに、照射判定部１２２は、ステップ６３において判定用波高値範囲により選択したピークの計数値と、判定用計数値の基準値とを比較し、選択したピークの計数値が、判定用計数値の基準値の所定の割合（例えば８０％）に到達しているかどうかを判定する。到達している場合には、標識元素が含まれる腫瘍１０１に予備照射時の粒子線が当たっていたと判定し、到達していない場合には、当たっていなかったと判定する（ステップ６５）。

なお、ステップ６３において、複数のピークを選択した場合には、ピークのいずれか（例えば最大ピークや最小ピーク）の計数値が判定用計数値の所定の割合に到達しているかどうかを判定してもよいし、すべてのピークの計数値が、判定用計数値の基準値の所定の割合（８０％）に到達しているかどうかを判定してもよい。

ステップ６５において、予備照射時の粒子線１１０が、標識元素が含まれる腫瘍１０１に当たっていたと判定した場合には、ステップ６６に進み、本照射を行う。本照射では、照射制御部１２５は、粒子線照射装置１２７を制御し、治療計画に沿って、複数の照射位置に、それぞれ設定されている線量の粒子線を順次照射させる。

一方、ステップ６５において、予備照射時の粒子線１１０が標識元素が含まれる腫瘍１０１に当たっていなかったと判定した場合には、ステップ６７に進み、被検体１００における腫瘍１０１の位置が治療計画時とは位置ずれているので、照射位置を水平方向または深さ方向に予め定めた量だけ修正し（ステップ６７），ステップ６１に戻って再び予備照射する。この動作を粒子線１１０が腫瘍１０１に当たるまで繰り返す（ステップ６８）。ただし、ステップ６８において、修正した回数がｎ回（例えば、３回）に達した場合には、照射を中止する（ステップ６９）。これにより、患者１００の正常組織へ粒子線がｎ回を超えて照射されることを防ぎ、正常組織へダメージを与えないようにすることができる。

なお、本照射のステップ６６と、照射位置を修正するステップ６７においてはそれぞれ、ステップ６５の腫瘍に当たっていたかどうかの判定結果と、ステップ６３，６４で求めたガンマ線スペクトルを、照射制御部１２５に接続されている表示部１２６に表示させることが望ましい。例えば、図７のような表示画面により、ガンマ線スペクトルと、判定用波高値範囲（エネルギー帯域）と、判定結果とを表示することができる。

（第１の実施形態の効果）
このように、第１の実施形態の粒子線治療システムでは、標識により腫瘍を人体の組織を構成する元素とは異なる元素で特徴づけ、粒子線を照射してガンマ線を検出することにより、粒子線が腫瘍にあたっているかどかを判定することができる。これにより、照射中の患者の姿勢や、患者の体形の変化等により、腫瘍の位置が治療計画とは異なる位置にある場合には、粒子線の照射位置を変更したり、粒子線の照射を中止することができる。よって、腫瘍の近傍に放射線感受性の高い臓器が存在するケースでも、粒子線治療を適用する可能性を高めることができる。

また、第１の実施形態の粒子線治療システムでは、腫瘍以外への粒子線照射を防ぐことができるため、１回の治療における腫瘍への粒子線照射量を増大させることが可能になり、治療効率を向上させることが期待できる。

（第１の実施形態の変形例１）
第１の実施形態の粒子線治療システムにおいて、図６のステップ６１では、粒子線を予備照射しながら、粒子線照射装置１２７に備えたＸ線透過像装置で、患者１００のＸ線透過像を撮像し、体内の標識元素が集積または挿入された腫瘍１０１の位置を計測してもよい。これにより、Ｘ線透過像により撮像した腫瘍の位置とステップ６１において治療計画に沿って照射した照射位置との位置ずれを求めることができるため、ステップ６７において、Ｘ線透過像で撮像した腫瘍１０１の位置の方向に、照射位置をずらすように修正することができる。

（第１の実施形態の変形例２）
また、バルク状の標識元素のマーカを、患者１００の腫瘍１０１に外科的に挿入する場合、図８に示すように、複数種類のマーカ８１〜８３を隣接するように配列して固定した集合マーカを用いることができる。

図８に示した集合マーカの例では、４つのマーカ８１〜８３が２次元に配列され、隣接する個所が互いに固定されている。マーカ８１は、Ｆｅであり、マーカ８２はＰｔであり、マーカ８３は、Ｃｌ含有物質からなり、マーカ８４は、Ｆ含有物質からなる。また、4つのマーカ８１〜８３の集合マーカが腫瘍内に挿入された後で、その向きをＸ線透過像等で確認できるように、集合マーカには、複数の切り欠き８５，８６が、非対称な位置に設けられている。

このような集合マーカを腫瘍１０１内に挿入しておくことにより、図６のステップ６１，６２において、粒子線の予備照射を行ってガンマ線を検出することにより、４つのマーカ８１〜８３のうち粒子線１１０がマーカの標識元素の即発ガンマ線が検出される。よって、ステップ６５において、判定照射部１２２が、検出された即発ガンマ線のピークの波高値およびその計数値を判定することにより、粒子線１１０がどの位置に照射されているかを判定することが可能である。

例えば、図８の照射位置８７に粒子線１１０のスポットが照射された場合には、ＰｔとＣｌとＦｅの即発ガンマ線のピークが計測され、その計数値は、Ｐｔが最も大きく、ＣｌとＦｅは小さい値となる。また、図８の照射位置８８に粒子線１１０のスポットが照射された場合には、ＦとＣｌの即発ガンマ線のピークが計測され、その計数値は、Ｆが最も大きく、Ｃｌは小さい値となる。

よって、図５のステップ５１〜５４において、図８のマーカの各照射位置ごとに、判定用エネルギ帯域と判定用計数値の基準値とを設定しておくことにより、照射判定部１２２は、図６のステップ６５において、実際の照射位置を容易に把握できる。

また、ステップ６７では、照射判定部１２２は、把握した実際の照射位置を治療計画の照射位置に一致させるように、容易に調整することができる。

（第１の実施形態の変形例３）
また、第１の実施形態の粒子線治療システムにおいて、粒子線の照射により発生するガンマ線の量は，照射した粒子線１１０の量に対応する。よって。ステップ６５で求めた予備照射時のピークの計数値が、判定用計数値の基準値に一致するように、本照射（ステップ６６）において照射する粒子線１１０の線量を調整してもよい。

例えば、ステップ６５で求めた予備照射時のピークの計数値が、判定用計数値の８０％であった場合には、本照射（ステップ６６）において照射する粒子線の線量を１００／８０＝１．２５倍する。

これにより、治療計画で設定した所望の線量（強度）の粒子線１１０を、本照射で腫瘍１０１に照射できる。

（第１の実施形態の変形例４）
上述した第１の実施形態の粒子線治療システムは、図６のフローにおいて、予備照射（ステップ６１）により腫瘍への粒子線の照射を判定するものであったが、予備照射を行わず、治療計画に沿った照射のたびに、ステップ６２〜６５の検出と判定を行い，治療計画にフィードバックする構成にすることも可能である。

（第１の実施形態の変形例５）
また、上述した第１の実施形態の粒子線治療システムは、予備照射（ステップ６１）により腫瘍への粒子線の照射を判定した後、本照射を行う構成であったが、粒子線照射時には、ガンマ線の計測のみ実施して、照射判定部１２２は、判定は行わず、計測データをメモリに保持しておき，治療後に照射判定部１２２が判定を行って、治療計画を修正する構成にすることも可能である。

（第１の実施形態の変形例６）
なお、上述した第１の実施形態の粒子線治療システムではステップ６７において、粒子線の照射位置を修正する構成であったが、粒子線の照射位置は変更せず、予め治療計画で計画した粒子線の照射位置に腫瘍が位置するように、患者を搭載している治療台の位置を調整することにより照射位置を制御してもよい。

＜＜第２の実施形態＞＞
次に，図９および図１０を用いて，本発明の第２の実施形態による粒子線治療システムについて説明する。

第２の実施形態の粒子線治療システムは、第１の実施形態と同様の構成であるが、ガンマ線検出器１２０が、図９のように２次元アレイ状に並べられ、アレイ型ガンマ線検出器５０１を構成している点で第１の実施形態とは異なっている。照射判定部１２２は、アレイ型検出器５０１の検出したガンマ線の空間分布に基づいて、対象領域１０１内の粒子線１１０の照射位置を求めることができる。

アレイ型ガンマ線検出器５０１は、２次元に配列されたガンマ線検出器１２０ごとに即発ガンマ線の波高値の計数値分布を取得する。即発ガンマ線の発生量は，照射された粒子線１１０の線量分布と相関があり，照射した粒子線１１０のビーム軸方向にそって，発生する即発ガンマ線の量は変化する。よって、ガンマ線検出器１２０をアレイ状に配列したアレイ型ガンマ線検出器５０１を用いることにより、標識元素から発生する即発ガンマ線の空間分布に対応した即発ガンマ線の波高値分布が取得できる。

一方、照射位置１３０ごとに、照射線量を所定の範囲で変化させた場合に、アレイ型ガンマ線検出器５０１の各ガンマ線検出器１２０において検出されるガンマ線の波高値ごとの計数値を、実施形態１の図５のフローと同様に予めシミュレーションにより算出し、３次元情報ＤＢ１２３には、データを格納しておく。

照射判定部１２２は、ステップ６５において、各アレイ型ガンマ線検出器５０１が実測したガンマ線の波高値ごとの計数値分布を、３次元情報ＤＢ１２３に格納されている照射位置ごとの計数値分布と比較し、実測値に最も近い計数値分布が得られている照射位置および照射線量を求める。これにより、ステップ６５において、実際に粒子線が照射されている位置１３０が腫瘍１０１内かどうかと、照射されている照射線量とを特定することができる。

なお、照射位置１３０を特定した後、１以上のガンマ線検出器１２０の計数値分布を用いて、第１の実施形態のステップ６５と同様に、判定を行ってもよい。

このように、第２の実施形態では、標識により腫瘍を人体の組織を構成する元素とは異なる元素で特徴づけ、粒子線を照射してガンマ線を２次元アレイ型ガンマ線検出器５０１で検出することにより、粒子線の照射位置が腫瘍１０１内かどうか、また、照射線量を求めることができる。

なお、図１０に示すように、アレイ型ガンマ線検出器５０１の前面にピンホールコリメータ６０１を配置してもよい。ピンホールコリメータ６０１を配置することにより、各ガンマ線検出器１２０から見込むガンマ線発生領域３０１が限定されるため，より精度の高いガンマ線３０の空間分布が取得できる。

第２の実施形態の粒子線治療システムにおいて、上述した以外の構成は、第１の実施形態と同様であるので、すでに説明した部分については説明を省略する。

＜＜第３の実施形態＞＞
図１１を用いて，本発明の第３の実施形態による粒子線治療システムについて説明する。

第３の実施形態による粒子線治療システムでは、照射判定部１２２が、ガンマ線検出器１２０が検出したガンマ線の波高値による計数値分布から、粒子線が腫瘍に照射されているかどうかを判定する際に用いる判定用計数値の基準値が第１および２の実施形態とは異なっている。第３の実施形態では、標識元素が含まれていない患者１００のガンマ線スペクトルをバックグラウンドとして求め、このバックグラウンドに基づき、判定用計数値の基準値を設定する。

具体的には、第１の実施形態では、図５のフローのステップ５１〜５４により、照射判定部１２２が、標識元素が含まれている患者１００からのガンマ線スペクトルをシミュレーションで求めて、全吸収ピーク等の計数値を判定用計数値の基準値として用いる構成であった。これに対し、第３の実施形態では、図５のフローのステップ５２において、照射判定部１２２が、腫瘍１０１に標識元素が含まれていない患者１００からのガンマ線スペクトルをシミュレーションにより求め、これをバックグラウンドのガンマ線スペクトルとする。そして、照射判定部１２２は、バックグラウンドのガンマ線スペクトルの計数値ｎに標準偏差（σ＝√ｎ）の３倍（３σ）を加えた値（ｎ＋３σ：バックグラウンドの３σ）を求め、これを判定用計数値を基準値として設定する。なお、判定用エネルギ帯域については、第１の実施形態と同様にして設定すればよい。

設定した判定用計数値の基準値を用いて、照射判定部１２２は、第１の実施形態の図６のフローと同様に、粒子線が腫瘍に当たっているかどうかの判定を行う。すなわち、腫瘍１０１に標識元素が投入されている被検体１００に、粒子線照射装置１２７は、粒子線１１０を照射し、ガンマ線３０をガンマ線検出器１２０で検出し、エネルギ分析部１２１は波高値ごとの計数値を算出し、標識元素由来の所定のピークの計数値を求める（図６のステップ６１〜６４）。そして、ステップ６５において、照射判定部１２２は、ステップ６４で求めた標識元素由来のピークの計数値を、判定用計数値の基準値（バックグラウンドの３σ：ｎ＋３σ）と比較して、基準値よりも大きければ、ステップ６１で予備照射した粒子線１１０は腫瘍１０１にあたっていると判定する。ステップ６５以降は、第１の実施形態と同様に行って、照射位置の修正や本照射を行う。

このように第３の実施形態では、標識元素が投入されていない患者に粒子線を照射した場合のガンマ線スペクトルを求め、その計数値に標準偏差を加えたものを照射判定部１２２の判定用計数値の基準値として用いるため、基準値が、標識元素の濃度の誤差等、標識元素に関する数値の誤差の影響を受けない。よって、照射判定部１２２は、判定を精度よく行うことができるというメリットがある。

（第３の実施形態の変形例１）
上述の説明では、バックグラウンドのガンマ線スペクトルの計数値ｎに３σを加えたものを判定用計数値の基準値としたが、加える標準偏差は、３σに限られるものではなく、σや２σを加えたものであってもよいし、σに基づき予め定めた数式により算出した値であってもよい。

また、標準偏差以外の値をバックグラウンドのガンマ線スペクトルの計数値ｎに加えて、判定用計数値の基準値としてもよい。

（第３の実施形態の変形例２）
また、第３の実施形態では、標識元素が含まれていない患者のガンマ線スペクトルをシミュレーションにより求め、バックグラウンドとして用いたが、他のバックグラウンドのガンマ線スペクトルを用いることも可能である。例えば、患者の代わりにファントムを配置して、シミュレーションや実測により求めたガンマ線スペクトルや、なにも配置せずに実測したガンマ線スペクトルをバックグラウンドとして用いることも可能である。

（第３の実施形態の変形例３）
なお、第３の実施形態では，図６のステップ６４において、照射判定部１２２が標識由来の即発ガンマ線の所定のピークを選択する際に、全吸収ピーク，シングルエスケープピーク，ダブルエスケープピークのいずれかまたはその組合せを選択し、その計数値を基準値と比較することにより、腫瘍１０１の標識元素への粒子線の照射を判定する構成とすることができる。例えば、全吸収ピーク，シングルエスケープピークおよびダブルエスケープピークのうちの２以上，または全てが基準値を下回る場合には，粒子線１１０は腫瘍１０１には当たっていないと判定し、図６のステップ６７、６８において照射位置を修正することなく、ステップ６９に進んで、照射を中止する構成にすることができる。また，全吸収ピーク，シングルエスケープピークおよびダブルエスケープピークのいずれかの計数値が、基準値を下回っている場合には、粒子線が腫瘍にあたっていない可能性を警告を表示部１２６に表示するとともに、ステップ６７、６８において照射位置を修正する構成にすることができる。

他の構成、処理動作および効果は、第１の実施形態と同様であるので、すでに説明した部分については説明を省略する。

＜＜第４の実施形態＞＞
次に，図１２（Ａ），（Ｂ）を用いて，本発明の第４の実施形態による粒子線治療システムについて説明する。

第４の実施形態では、照射判定部１２２は、腫瘍１０１内での標識元素の分布等を利用して、粒子線の照射位置を特定する。

標識元素由来の即発ガンマ線の発生量は，粒子線１１０の照射量と、照射体積中の標識元素の濃度と空間分布に依存する。一方、薬剤などを用いて腫瘍１０１に標識を集積させた場合，腫瘍１０１の中心領域には，標識元素が高濃度で存在し，腫瘍１０１の周縁領域には，標識元素が低濃度，もしくは存在しないという分布になることが多い。

この場合、図１２（Ａ）に示すように，腫瘍１０１の中心領域に粒子線１１０を照射すると，照射領域に標識元素が高濃度で存在するため，即発ガンマ線の発生量が大きく，検出されるガンマ線の計数値も高くなる。一方で，図１２（Ｂ）に示すように，粒子線１１０を腫瘍１０１の体表に近い側の周縁領域に照射する場合、腫瘍１０１の周縁領域では標識元素の濃度が小さく、しかも体表に近い位置に照射するために照射エネルギも低いため、即発ガンマ線の発生量は小さく、ガンマ線検出器１２０で検出されるガンマ線の計数値も低くなる。

このように、腫瘍１０１内での標識元素の濃度分布、ならびに、照射位置による照射エネルギにより、腫瘍１０１の標識元素に由来する即発ガンマ線の発生量が変化するため、これを利用して、本実施形態では、粒子線の照射位置を特定する。

具体的には、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様に図５のステップ５１〜５４により、判定用のエネルギ帯域の設定を行う際に、予め求めておいた腫瘍１０１内の標識元素の濃度分布を用いる構成とする。すなわち、ステップ５１において、予め求めておいた腫瘍１０１内の標識元素の濃度分布をとりこみ，ステップ５２において標識元素の濃度分布から照射位置の標識元素の濃度を求め、この標識元素の濃度を用いてシミュレーションを行って、照射位置から発生する即発ガンマ線の波高値ごとの計数値を算出する構成とする。以下のステップ５３，５４は、第１の実施形態と同様にする。

これにより、第４の実施形態の粒子線治療システムでは、第１の実施形態と同様に図６のステップ６１〜６９により粒子線を実際に照射位置に照射して、腫瘍１０１にあたっているかどうかを判定する際に、ステップ６５において、照射位置も判定することができる。すなわち、その照射位置についてステップ５４で求めておいた標識元素由来のピークの計数値と、ステップ６３で算出した実際に照射により計測した標識元素由来のピークの波高値とを比較することで，事前に治療計画で計画した照射位置に粒子線が照射されているかどうかを判定することができる。

他の構成、処理動作、および、効果は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００ 患者
１０１ 腫瘍および標識
１０２ 健全部
１１０ 粒子線
１２０ ガンマ線検出器
１２１ エネルギ分析部
１２２ 照射判定部
１２３ ３次元情報データベース
１２４ エネルギ帯域データベース
１２５ 照射制御部
１２６ 表示部
１２７ 粒子線照射装置
５０１ アレイ型ガンマ線検出器
６０１ ピンホールコリメータ

Claims (15)

1. 粒子線を照射すべき対象領域内に、予め標識元素が含まれる被検体に対して、粒子線を照射する照射装置と、
   前記粒子線を照射された前記被検体の組織が発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、
   検出された前記ガンマ線に、前記標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定し、前記１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれる場合、前記対象領域に前記粒子線が当たっていると判定する照射判定部とを有することを特徴とする粒子線治療システム。
2. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
   前記標識元素は、人体を構成する元素とは異なる元素であり、
   前記予め定めておいた１以上のエネルギ帯域は、前記標識元素が前記粒子線を照射された場合に発生する即発ガンマ線を前記ガンマ線検出器で検出した場合に計測される全吸収ピーク、および、１以上のエスケープピークのエネルギ帯域のうちの１以上であることを特徴とする粒子線治療システム。
3. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
   前記ガンマ線検出器の出力信号から、前記ガンマ線のエネルギごとの強度を求めるエネルギ分析部をさらに有することを特徴とする粒子線治療システム。
4. 請求項３に記載の粒子線治療システムであって、
   前記照射判定部は、前記ガンマ線のエネルギごとの強度から、前記エネルギ帯域のガンマ線の強度を求め、求めた強度が予め定めておいた基準値よりも大きい場合、前記標識元素の種類に対応したエネルギ帯域のガンマ線が含まれると判定することを特徴とする粒子線治療システム。
5. 請求項４に記載の粒子線治療システムであって、
   前記基準値は、前記エネルギ帯域ごとに設定されていることを特徴とする粒子線治療システム。
6. 請求項５に記載の粒子線治療システムであって、
   前記照射判定部は、予めシミュレーションを行って、前記標識元素が含まれる前記被検体の前記対象領域に粒子線を照射した場合に発生するガンマ線の強度をエネルギごとに算出し、算出したガンマ線の強度のうち、前記標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域におけるガンマ線強度を求め、当該ガンマ線強度、もしくは、当該ガンマ線強度に基づいて求めた値を、前記基準値として用いることを特徴とする粒子線治療システム。
7. 請求項５に記載の粒子線治療システムであって、
   前記照射判定部は、予めシミュレーションを行って、前記標識元素が含まれない前記被検体の前記対象領域に粒子線を照射した場合に発生するガンマ線の強度をエネルギごとに算出し、算出したガンマ線の強度のうち、前記標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域におけるガンマ線強度をバックグラウンドとして求め、当該バックグラウンドのガンマ線強度、もしくは、当該バックグラウンドのガンマ線強度に基づいて定めた値を、前記基準値として用いることを特徴とする粒子線治療システム。
8. 請求項４に記載の粒子線治療システムであって、
   前記エネルギ帯域のガンマ線の強度に基づき、前記粒子線の強度を調整することを特徴とする粒子線治療システム。
9. 請求項３に記載の粒子線治療システムであって、
   前記被検体には、複数種類の前記標識元素をそれぞれ含む複数固体を隣接させたマーカが挿入されており、
   前記照射判定部は、検出された前記ガンマ線に、前記複数種類の標識元素のうちどの標識元素に対応するエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定することにより、前記マーカへの前記粒子線の照射位置を求めることを特徴とする粒子線治療システム。
10. 請求項６に記載の粒子線治療システムであって、前記照射判定部は、予め定めておいた複数の照射位置ごとに、前記ガンマ線のエネルギごとの強度をシミュレーションにより算出しておき、検出された前記ガンマ線のエネルギごとの強度と比較することにより、前記粒子線が照射された照射位置を求めることを特徴とする粒子線治療システム。
11. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
    前記照射判定部が前記対象領域に前記粒子線が当たっていないと判定した場合、前記照射装置が前記被検体に粒子線を照射する位置を修正する制御部をさらに有することを特徴とする粒子線治療システム。
12. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
    前記ガンマ線検出器は、複数であり、２次元アレイ状に並べられており、
    前記照射判定部は、２次元アレイ状の前記ガンマ線検出器の検出したガンマ線の空間分布に基づいて、前記対象領域内の前記粒子線の照射位置を求めることを特徴とする粒子線治療システム。
13. 請求項１２に記載の粒子線治療システムであって、
    前記照射判定部は、予め求めておいた前記粒子線の照射位置ごとのガンマ線の空間分布と、２次元アレイ状の前記ガンマ線検出器で検出されるガンマ線の強度分布との関係を参照して、２次元アレイ状の前記ガンマ線検出器の検出したガンマ線の空間分布に基づいて、前記対象領域内の前記粒子線の照射位置を求めることを特徴とする粒子線治療システム。
14. 粒子線を照射すべき対象領域内に、予め標識元素が含まれる被検体に対して、粒子線を照射された場合に、前記被検体の組織が発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、
    検出された前記ガンマ線に、前記標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれるかどうかを判定し、前記１以上のエネルギ帯域のガンマ線が含まれる場合、前記対象領域に前記粒子線が当たっていると判定する照射判定部とを有することを特徴とする粒子線照射判定装置。
15. 粒子線を照射すべき対象領域内に、予め標識元素が含まれる被検体であって、粒子線が照射された被検体から発生したガンマ線を検出するステップと、
    前記ガンマ線に、前記標識元素の種類に対応して予め定めておいた１以上のエネルギ帯域におけるガンマ線が含まれるかどうかを判定し、前記１以上のエネルギ帯域におけるガンマ線が含まれる場合、前記対象領域に前記粒子線が当たっていると判定するステップと
    を含む粒子線照射判定方法。

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