JP2021101875A - 校正装置、治療計画装置及び校正方法 - Google Patents

校正装置、治療計画装置及び校正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】中性子線の量の推定精度を向上できる校正装置、治療計画装置及び校正方法を提供する。【解決手段】校正装置３００は、中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて中性子線の量に関する推定値を校正する。また、前期校正装置３００は、前記中性子線のエネルギー分布に基づく値として、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いて前記推定値を校正する。さらに、治療計画装置２００は、前記校正装置３００によって校正された前記推定値に基づいて荷電粒子線による治療計画を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、校正装置、治療計画装置及び校正方法に関する。
近年、中性子線を用いて治療が行われる技術がある。例えば、中性子線を照射してがん細胞を死滅させる中性子捕捉療法として、ホウ素化合物を用いたホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）が知られている。ホウ素中性子捕捉療法では、がん細胞に予め取り込ませておいたホウ素に中性子線を照射し、これにより生じる重荷電粒子の飛散によってがん細胞を選択的に破壊する。
このように治療に用いられる中性子線の量を測定するために、例えば特許文献１に示される中性子線測定装置が用いられる。特許文献１に示される中性子線測定装置は、検出部で中性子線を検出し、当該検出結果に基づいて中性子線の量を算出している。
特開２０１６−１６６７７７号公報
ここで、上述のような中性子線測定装置の測定精度を向上するために、検出器に熱中性子線をカットするフィルタを被せて測定した結果と、フィルタを被せずに測定した結果との差分に基づいて、中性子線を測定する場合がある。しかしながら、このような中性子線測定装置では、測定結果に不確かさが含まれることがあるため、測定結果を用いて中性子捕捉療法における中性子線の量を推定する場合は不確かさを大きく見積もる必要があった。従って、中性子線の量の推定精度を向上することが求められていた。
従って、本発明は、中性子線の量の推定精度を向上できる校正装置、治療計画装置及び校正方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る校正装置は、中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて中性子線の量に関する推定値を校正する。
この校正装置は、エネルギー分布に基づく値を用いて測定値を基準として推定値を校正する。エネルギー分布に基づく値は、真の熱中性子フルエンスのように、不確かさが大きい平均断面積に依存しない。さらに、校正装置は、エネルギー分布に基づく値を用いることにより、エネルギー分布を考慮した中性子線の量に関する推定値を校正することができる。このため、この校正装置は、エネルギー分布に基づく値を用いることにより、校正における不確かさの影響を低減することができる。以上より、この校正装置は、中性子線の量の推定精度を向上できる。
一実施形態においては、中性子線のエネルギー分布に基づく値として、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いて推定値を校正する。この場合、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率は、真の熱中性子フルエンスのように、不確かさが大きい平均断面積に依存しない。これにより、この校正装置は、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを有効に利用することができ、中性子線の量の推定精度を向上できる。
本発明の他の側面に係る治療計画装置は、校正装置によって校正された推定値に基づいて荷電粒子線による治療計画を行う。この治療計画装置は、校正装置により校正された推定値に基づいて治療計画を作成することができる。よって、この治療計画装置は、推定精度の向上した中性子線の量に基づいて治療計画を作成できる。
本発明の他の側面に係る校正方法は、中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて中性子線の量に関する推定値を校正する工程を有する。
この校正方法によれば、上述の校正装置と同様な作用・効果を得ることができる。
本発明によれば、中性子線の測定結果を容易に取得することができ、中性子線の量の推定精度を向上できる校正装置、治療計画装置及び校正方法を提供できる。
中性子線測定装置の測定対象となる中性子線を発生する中性子捕捉療法装置を示す概略図である。 実施形態に係る中性子線測定装置、校正装置及び治療計画装置のブロック図である。 実施形態に係る校正装置のブロック図である。 水ファントムの所定の深さにおける中性子線のフルエンスを示すグラフである。 中性子線測定方法の処理内容を示すフローチャートである。 校正定数を決定する手順を示す工程図である。 １０Ｂの特性を示すグラフである。 ６Ｌｉの特性を示すグラフである。 １９７Ａｕの特性を示すグラフである。 実施形態に係る校正方法の処理内容を示すフローチャートである。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る校正装置は、中性子捕捉療法装置により照射される中性子線の量に関する推定値を校正する。まず、図１を参照し、後述の中性子線測定装置の測定対象となる中性子線を発生する中性子捕捉療法装置の概要について説明する。図１に示される中性子捕捉療法装置１は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）を用いたがん治療を行う装置である。中性子捕捉療法装置１では、例えばホウ素（１０Ｂ）が投与された患者（被照射体）５０の腫瘍に中性子線Ｎを照射する。
中性子捕捉療法装置１は、加速器２を備えている。加速器２は、陰イオン等の荷電粒子を加速して、荷電粒子線Ｒを出射する。加速器２は、例えばサイクロトロンによって構成される。本実施形態において、荷電粒子線Ｒは陰イオンから電荷を剥ぎ取って生成した陽子ビームである。この加速器２は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｒを生成する。なお、加速器は、サイクロトロンに限られず、シンクロトロンやシンクロサイクロトロン、ライナック、静電加速器などであってもよい。
加速器２から出射された荷電粒子線Ｒは、中性子線生成部Ｍへ送られる。中性子線生成部Ｍは、ビームダクト９とターゲット１０とからなる。加速器２から出射された荷電粒子線Ｒは、ビームダクト９を通り、ビームダクト９の端部に配置されたターゲット１０へ向かって進行する。このビームダクト９に沿って複数の四極電磁石４、及び走査電磁石６が設けられている。複数の四極電磁石４は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｒのビーム軸調整を行うものである。
走査電磁石６は、荷電粒子線Ｒを走査し、ターゲット１０に対する荷電粒子線Ｒの照射制御を行うものである。この走査電磁石６は、荷電粒子線Ｒのターゲット１０に対する照射位置を制御する。
中性子捕捉療法装置１は、荷電粒子線Ｒをターゲット１０に照射することにより中性子線Ｎを発生させ、患者５０に向かって中性子線Ｎを出射する。中性子捕捉療法装置１は、ターゲット１０、遮蔽体８、減速材３９、コリメータ２０を備えている。
ターゲット１０は、荷電粒子線Ｒの照射を受けて中性子線Ｎを生成するものである。ターゲット１０は、荷電粒子線が照射されることで中性子線を発生させる材質によって形成される固体形状の部材である。具体的に、ターゲット１０は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）やリチウム（Ｌｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）により形成され、例えば直径１６０ｍｍの円板状の固体形状をなしている。なお、ターゲット１０は、円板状に限らず、他の形状であってもよい。
減速材３９は、ターゲット１０で生成された中性子線Ｎを減速させる（中性子線Ｎのエネルギーを低下させる）ものである。減速材３９は、中性子線Ｎに含まれる速中性子を主に減速させる層３９Ａと、中性子線Ｎに含まれる熱外中性子を主に減速させる層３９Ｂと、からなる積層構造を有していてよい。
遮蔽体８は、発生させた中性子線Ｎ、及び当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等を外部へ放出されないよう遮蔽するものである。遮蔽体８は、減速材３９を囲むように設けられている。遮蔽体８の上部及び下部は、減速材３９より荷電粒子線Ｒの上流側に延在している。
コリメータ２０は、中性子線Ｎの照射野を整形するものであり、中性子線Ｎが通過する開口２０ａを有する。コリメータ２０は、例えば中央に開口２０ａを有するブロック状の部材である。
次に、図２を参照して、中性子線測定装置１００の詳細な構成について説明する。中性子線測定装置１００は、中性子捕捉療法装置１においてターゲット１０への荷電粒子線Ｒの照射によって発生した中性子線Ｎの量（測定値）を測定する測定装置である。中性子線測定装置１００は、例えば、中性子捕捉療法装置１のコリメータ２０から照射された中性子線Ｎの量（測定値）を測定する。
中性子線測定装置１００は、中性子捕捉療法装置１から照射された中性子線Ｎを測定し、測定結果を校正装置３００又は表示部６０へ出力する。校正装置３００は、中性子捕捉療法装置１における中性子線Ｎのフルエンスに関する推定値を取得し、中性子線測定装置１００の測定結果と比較して、推定値を校正する。校正装置３００は、治療計画装置２００と接続され、推定値を治療計画装置２００に送信する。治療計画装置２００は、中性子捕捉療法装置１を用いて治療を行う際に、患者に対してどのように中性子線Ｎを照射するかの治療計画を行う装置である。この場合、治療計画装置２００は、治療計画を作成するにあたり、中性子捕捉療法装置１の中性子線Ｎがどの程度のフルエンスを有するかを把握する必要がある。このため、中性子捕捉療法装置１で治療を行う前段階において、治療計画装置２００のコンディショニング（規格化）が行われる。本実施形態の治療計画装置２００は、校正装置３００によって校正された推定値に基づいて、中性子捕捉療法装置１における中性子線Ｎの線量を設定し、荷電粒子線Ｒによる治療計画を作成する。すなわち、中性子捕捉療法装置１で治療を行う前段階において、校正装置３００の推定値の校正（規格化）が行われることで、治療計画装置２００の規格化が行われる。例えば、治療計画装置２００の治療計画には、校正装置３００において規格化された推定値がそのまま用いられてもよい。
校正装置３００における規格化では、校正装置３００が推定したフルエンス（推定値の一例）と中性子線測定装置１００の測定値とが比較されることで、測定値に対する校正装置３００の推定値の規格化定数が決められる。校正装置３００の規格化定数は、例えば治療計画装置２００の規格化定数として適用される。例えば、図４のグラフは、水ファントム３５（図２参照）の所定の深さにおける中性子線Ｎのフルエンスを示している。図４の（ａ）に示すように、規格化前においては、校正装置３００の推定値は、中性子線測定装置１００での測定値からずれている。従って、図４の（ｂ）に示すように、校正装置３００の推定値が中性子線測定装置１００での測定値と適合するように、規格化定数を調整する。なお、図４では、複数箇所における測定値を用いて規格化が行われているが、一箇所における測定値だけで規格化が行われてもよい。また、深さ方向だけでなく、同一直線上に位置しない、三次元空間内における異なる複数の位置の水ファントム３５の測定値を用いて規格化が行われてもよい。
図２に示すように、中性子線測定装置１００は、検出部３０と、制御部４０と、表示部６０と、を備える。
検出部３０は、中性子線を検出する機器である。検出部３０は、シンチレータ３１と、シンチレータ３１が先端に設けられた光ファイバ３２と、光ファイバ３２から伝達された光を検出する光検出器３３と、光検出器３３による検出結果を測定する測定器３４と、を備える。検出部３０は、治療計画装置２００からの測定制御信号に基づいて、測定を行う。
シンチレータ３１は、入射した中性子線を光に変換する蛍光体である。シンチレータ３１は、シンチレータ３１は、入射した中性子線の線量に応じて内部結晶が励起状態となり、シンチレーション光を発生させる。中性子線の測定は、水ファントム３５を用いて行われる。すなわち、中性子捕捉療法装置１からの中性子線Ｎは、水ファントム３５へ向けて照射される。従って、シンチレータ３１は、水ファントム３５内の所定の位置に配置される。シンチレータ３１の水ファントム３５中の位置は、測定の進行に応じて適宜変更される。光検出器３３は、光ファイバ３２を介してシンチレータ３１が発光した光を検出する。
測定器３４は、光検出器３３からの検出結果を所定の測定値に変換した上で、制御部４０へ送信する。測定器３４は、光検出器３３の検出結果から中性子の個数をカウントして、制御部４０へ出力する。なお、制御部４０は、光検出器３３からの検出結果を直接受信し、測定器３４が行う処理を内部で行ってよい。検出部３０は、例えば１／ｖ検出器を備えて構成される。１／ｖ検出器は、シンチレータ３１の部分が１／ｖ吸収体で構成された検出器である。なお、１／ｖ検出器の詳細については、後述する。
制御部４０は、中性子線測定装置１００全体の制御を行う。制御部４０は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを備え、一般的なコンピュータとして構成されている。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算器である。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶媒体である。ストレージは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶媒体である。通信インターフェースは、データ通信を実現する通信機器である。ユーザインターフェースは、キーボードやタッチパネルやマイクなどの入力器である。プロセッサは、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを統括し、後述する制御部４０の機能を実現する。制御部４０では、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。制御部４０は、複数のコンピュータから構成されていてもよい。
制御部４０は、慣用中性子フルエンス演算部４１（演算部）、反応数演算部４２（演算部）、カーマ線量演算部４３（演算部）、入力部４４、及び測定値出力部４６と、を備える。
慣用中性子フルエンス演算部４１は、検出部３０で検出された検出結果に基づいて、中性子線Ｎの量を演算する。慣用中性子フルエンス演算部４１は、慣用中性子フルエンスを演算する。慣用中性子フルエンス演算部４１は、検出部３０から取得した中性子カウント、入力部４４で入力された校正定数、及び入力部４４で入力された補正係数を用いて、以下の式（１）を計算する。校正定数は、当該中性子線測定装置１００に対して固有の値として決定される値である。校正定数は、事前に中性子線測定装置１００を国家標準の校正場に持ち込んで測定を行うことで決定される。校正定数の決定方法については、後述する。補正係数は、検出部３０のエネルギー特性に対して設定された係数であり、検出部３０のタイプなどによって予め設定される値である。慣用中性子フルエンス演算部４１は、演算結果を反応数演算部４２及び測定値出力部４６へ出力する。

慣用中性子フルエンス＝中性子カウント × 校正定数 × 補正係数 …（１）
反応数演算部４２は、慣用中性子フルエンスに基づいて所定の原子の反応数を演算する。反応数演算部４２は、慣用中性子フルエンス演算部４１から入力された慣用中性子フルエンス、及び所定の原子に対して予め定められた断面積を用いて、以下の式（２）を計算する。断面積は、計算対象となる原子の２２００ｍ／ｓにおける断面積である。なお、２２００ｍ／ｓは、中性子の速度（エネルギー）を示す。反応数演算部４２は、演算結果をカーマ線量演算部４３及び測定値出力部４６へ出力する。

反応数＝慣用中性子フルエンス × 断面積 …（２）
カーマ線量演算部４３は、反応数に基づいてカーマ線量を演算する。カーマ線量演算部４３は、反応数演算部４２から入力された反応数を用いて、以下の式（３）を計算する。Ｅは、エネルギーを示す。エネルギーとして、原子と中性子が１回反応した際に放出される荷電粒子の平均運動エネルギーの総和が用いられる（一般的にＱ値と称されることがある）。例えば、６Ｌｉであれば、Ｑ値は４．８９ＭｅＶである。１０Ｂであれば、Ｑ値は２．３１ＭｅＶである。１４Ｎであれば、Ｑ値は０．６２ＭｅＶである。Ｆは、質量密度である。例えば、ホウ素のカーマ線量を計算する場合、質量密度を１ｐｐｍとすることが望ましく、ホウ素以外のカーマ線量を計算する場合は、ＩＣＲＵ４６に定義されている組織密度を用いることが望ましい。Ｍは、原子質量という値であり、６Ｌｉの場合６、１０Ｂの場合１０、１４Ｎの場合１４という数値に設定されることが好ましい。ＭＡＭＵは、原子質量単位という値であり、１．６６０５３９０４０×１０−２７ｋｇという数値に設定されることが好ましい。カーマ線量演算部４３は、演算結果を測定値出力部４６へ出力する。

カーマ線量＝（反応数 × Ｅ × Ｆ）／（Ｍ×ＭＡＭＵ） …（３）
入力部４４は、制御部４０に各種情報を入力する。入力部４４は、治療計画装置２００から、またはマウスやキーボードなどのインターフェースを介してユーザから補正係数及び校正定数を入力される。また、入力部４４は、反応数の演算が必要か否かの情報、及びカーマ線量の演算が必要か否かの情報を入力される。測定値出力部４６は、取得した測定値を校正装置３００やユーザに出力する。測定値出力部４６は、測定値を校正装置３００へデータとして直接出力する。また、測定値出力部４６は、表示部６０にて測定値を視覚的に表示する。表示部６０は、ディスプレイなどによって構成される。表示部６０は、慣用中性子フルエンス、反応数、及びカーマ線量を表示する。表示部６０による測定値の表示方式は特に限定されず、数値をそのまま表示してもよく、グラフなどに変換して表示してもよい。
次に、図５を参照して、本実施形態に係る中性子線測定方法の手順について説明する。まず、測定対象の中性子場（ここでは、水ファントム３５）に検出部３０のシンチレータ３１を設置する（ステップＳ１０）。次に、検出部３０が、中性子カウントを測定する（ステップＳ２０）。次に、慣用中性子フルエンス演算部４１が、Ｓ１０の一回の測定での検出結果に基づいて、慣用中性子フルエンスを演算する（ステップＳ３０）。
ここで、反応数演算部４２は、入力部４４での入力情報や、設定状態などを参照し、反応数の演算が必要であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。Ｓ４０において、反応数の演算が必要ではないと判定された場合、測定値出力部４６は、慣用中性子フルエンスを出力する（ステップＳ５０）。
例えば、入力部４４にて反応数やカーマ線量が要求されている場合、または反応数を演算するように設定されている場合、反応数演算部４２は、反応数の演算を行う（ステップＳ６０）。次に、カーマ線量演算部４３は、入力部４４での入力情報や、設定状態などを参照し、カーマ線量の演算が必要であるか否かを判定する（ステップＳ７０）。Ｓ７０において、カーマ線量の演算が必要ではないと判定された場合、測定値出力部４６は、反応量を出力する（ステップＳ８０）。その後、測定値出力部４６は、慣用中性子フルエンスを出力する（ステップＳ５０）。
例えば、入力部４４にてカーマ線量が要求されている場合、またはカーマ線量を演算するように設定されている場合、カーマ線量演算部４３は、カーマ線量の演算を行う（ステップＳ９０）。測定値出力部４６は、カーマ線量を出力する（ステップＳ１００）。その後、測定値出力部４６は、慣用中性子フルエンスを出力する（ステップＳ５０）。なお、反応数とカーマ線量が両方要求されているときは、測定値出力部４６は、反応数とカーマ線量の両方を出力する。
次に、図６を参照して、校正定数を決定する手順について説明する。この手順は、中性子線測定装置１００が製造されて、第１回目の測定を行う前に実行される。また、中性子線測定装置１００の使用回数が増えると、検出部３０の劣化などにより、校正定数が検出部３０にとって最適な値からずれる可能性がある。よって、この手順は、中性子線測定装置１００の定期メンテナンスなどのタイミングで行われてもよい。
まず、検出部３０が、国家標準の校正場に設置される（ステップＳ１１０）。この校正場では、中性子線の調整が十分な精度でなされており、慣用中性子フルエンスが既知の状態となっている。また、検出部３０は、校正場の校正点に配置される。
次に、検出部３０は、中性子カウントを測定する（ステップＳ１２０）。そして、校正定数の計算がなされる（ステップＳ１３０）。ここでは、「校正定数＝（校正場における慣用中性子フルエンス（既知））／（中性子カウント×校正場における補正係数）」という関係を用いて計算がなされる。なお、補正係数は、検出部３０による摂動（歪み、自己遮蔽）、方向依存性、１／ｖ断面積からの乖離などの効果を補正する。以上の手順で校正定数が決定したら、中性子線測定装置に入力される。
次に、慣用中性子フルエンスについて詳細に説明する。
まず、慣用中性子フルエンスの比較対象として、真の熱中性子フルエンスを用いて中性子線を測定する場合について説明する。真の熱中性子フルエンスを測定する場合、シンチレータに熱中性子線をカットするフィルタをかぶせて一回目の測定を行い、フィルタをかぶせずに二回目の測定を行い、両者の差分を演算する必要がある。このように、二回の測定が必要になるため測定の手間がかかり、測定の不確かさも大きくなる。
以下の式（４）は、真の熱中性子フルエンスを定義する式である。式（４）のφ（Ｅ）は、エネルギー微分中性子フルエンス（中性子エネルギースペクトル）を示す。ここで、検出部３０の反応数（測定時間内に検出部３０が中性子を検出（＝中性子と反応）した回数）をＲ、平均断面積をσｔｈとすると、式（４）は式（５）のように示される。すなわち、真の熱中性子フルエンスは検出部３０の指示値である反応数を平均断面積で除した値となる。それぞれの項の定義は以下（６）と（７）の通りである。式（７）に示す平均断面積とは、反応断面積をエネルギー微分中性子フルエンスで平均化した量である。このように、真の熱中性子フルエンスの評価には平均断面積が必要となるが、この平均断面積は実測することができない値であるため、シミュレーションを行った結果を用いる必要がある。ここで、計算精度の検証作業の一部として規格化定数の決定が行われる。このような作業では、精度が保証されない計算結果に基づいて平均断面積を計算し、その平均断面積で実測値を補正し、補正された測定値で計算精度を確認するということが行われる。その結果、平均断面積の不確かさを大きく見積もる必要がある。また、平均断面積は測定深さに依存するため、測定点を変えるたびに使用する平均断面積を調整する必要がある。
Figure 2021101875
これに対し、慣用中性子フルエンス率（慣用中性子フルエンスを荷電粒子線の照射時間（単位時間）で除した値）は、１／ｖ検出器を用いて測定を行った場合は、平均断面積に依存せず、中性子カウントに比例する。従って、慣用中性子フルエンスは、不確実さを含む平均断面積という要素の影響を受けることなく、正確に中性子の量を示すことができる。具体的に、以下の式（８）は、慣用中性子フルエンスを定義する式である。Ｅ０は慣用的に０．０２５３ｅＶの値をとる。さらに、１／ｖ検出器を用いた場合、慣用中性子フルエンスは以下の式（９）のように簡略化される。ここで、Ｒは式（６）で表される。慣用的に、σ０は、速度が２２００ｍ／ｓの中性子に対する検出素子の反応断面積の値とされる。式（５）と式（９）とから明らかなように、式（５）が平均断面積に依存するのに対し、式（９）は平均断面積に依存しない。式（５）とは異なり、式（８）には平均断面積の項目は表れない。
Figure 2021101875
ここで、慣用中性子フルエンスを用いる上での制約条件について説明する。まず、慣用中性子フルエンスを精度良く演算するためには、検出部３０は、例えば、１／ｖ検出器を備えて構成される。１／ｖ検出器を用いる場合、上記式（９）が成り立つ。１／ｖ検出器とは、シンチレータ３１に１／ｖ吸収体が用いられている検出器のことである。ここで、１／ｖ吸収体とは、中性子線の入射エネルギーが１０−４ＭｅＶ以下の低い領域において、断面積が１／ｖに比例して減少するような関係が成り立つ物質のことであるものとする。なお、ここでの断面積とは、微視的断面積のことを指す。すなわち、断面積は、核反応を起こす割合を表す尺度である。単一エネルギーの中性子場に物質がさらされた時の反応率（単位時間当たりの反応回数）をＲ、物質の原子核の数密度をＮとすると、断面積は式（１０）で定義される。φ(Ｅ)は中性子束である。断面積が大きくなるほど吸収体が中性子と反応し易いことを示している。「v」は中性子の速度を示す。中性子１個あたりの質量をｍとすると、ｖは、中性子エネルギーＥと式（１１）に示す関係を持つ。１／ｖ検出器とは、断面積が１／ｖに比例する原子核を利用した検出器となる。σと１／ｖの比例関係が成り立ち、ｖとＥ１／２の比例関係が成り立つので、σと１／Ｅ１／２の比例関係が成り立つ。そのため、横軸のエネルギーをログでプロットすると、図７のように、断面積と線形性の関係となり、傾きは−１／２となる。
Figure 2021101875
このような１／ｖ吸収体として、１０Ｂ，６Ｌｉ，１４Ｎ，３Ｈｅなどが挙げられる。具体的には、１０Ｂの特性を示す図７のグラフ、及び６Ｌｉの特性を示す図８のグラフに示されるように、これらの吸収体の断面積は、１０−４ＭｅＶ以下の入射エネルギーの低い領域において、１／ｖに比例して減少している。なお、高エネルギー領域では、１／ｖの比例関係から乖離が生じるため、このような領域では慣用中性子フルエンスを演算するときに補正が必要となる。一方、１９７Ａｕの特性を示す図９のグラフに示されるように、当該吸収体の断面積は、１０−４ＭｅＶ以下の入射エネルギーの低い領域においても、１／ｖの比例関係から乖離している。よって、１９７Ａｕのような吸収体は、１／ｖ吸収体には該当しない。
なお、反応数とカーマ線量は、所定の原子に対する値が演算されていたが、これらの原子は、１／ｖ吸収体に限られる。上述の式（２），（３）は、１／ｖ吸収体に対して成立するためである。ただし、ＢＮＣＴの治療計画装置２００において反応数やカーマ線量の把握が求められる重要な原子は、１０Ｂ，１４Ｎなどの１／ｖ吸収体に該当する原子であるため、治療計画装置２００にとって当該制約条件は大きな制約とはならない。なお、検出部３０で用いられている１／ｖ吸収体の原子と、反応数の演算の対象となる原子とは、必ずしも一致している必要はない。例えば、検出部３０において１０Ｂ以外の１／ｖ吸収体が用いられていても、反応数演算部４２は、１０Ｂの反応数を演算することができる。
上述のように、１／ｖ吸収体は、高エネルギー領域にて補正が必要となるが、当該補正量を小さくするために、測定は水ファントム３５（図２参照）内で行われることが好ましい。空気中での測定の場合、中性子場は十分に熱化されている必要がある。よって、本実施形態に係る中性子線測定装置１００は、熱外中性子場の測定には向いていない。しかし、治療計画装置２００の規格化は水ファントム３５内で行われるため、当該制約条件は特に問題とならない。
検出部３０の検出ヘッド（シンチレータ３１の部分）は小さい。従って、水中における中性子場の摂動効果（摂動効果＝歪み効果×自己遮蔽効果）が十分に小さくないと補正による不確かさが大きくなる。摂動効果とは、測定箇所に水以外のものが存在することによる影響である。具体的には、歪み効果及び自己遮蔽効果を１％以下の十分小さい範囲に抑えることが好ましい。
次に、図２及び図３を参照して本実施形態に係る校正装置３００の詳細な構成について説明する。図３は、実施形態に係る校正装置のブロック図である。校正装置３００は、中性子捕捉療法装置１においてターゲット１０への荷電粒子線Ｒの照射によって発生する中性子線Ｎの量に関する推定値を校正（規格化）する。校正装置３００は、取得部３１０と、推定部３２０と、校正部３３０と、送信部３４０と、を備える。校正装置３００は、例えば、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを備え、一般的なコンピュータとして構成される。校正装置３００は、例えば、中性子線測定装置１００の制御部４０の構成と同一である。
取得部３１０は、中性子線Ｎの量の検出結果に基づいて演算された計測値を取得する。取得部３１０は、例えば、中性子線測定装置１００の制御部４０における測定値出力部４６から出力される値を取得する。取得部３１０は、エネルギー分布に基づく値を取得する。取得部３１０は、例えば、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも１つを取得する。
推定部３２０は、ターゲット１０への荷電粒子線Ｒの照射によって発生する中性子線Ｎの量に関する推定値を得る。推定部３２０は、例えば、モンテカルロ法を用いたシミュレーションで作成された推定値を推定する。推定部３２０は、取得部３１０において取得される値と同一の種類の値を推定する。具体的には、取得部３１０において慣用中性子フルエンスが取得された場合、推定部３２０は、慣用中性子フルエンスの推定値を推定する。取得部３１０において慣用中性子フルエンス率が取得された場合、推定部３２０は、慣用中性子フルエンス率の推定値を推定する。取得部３１０において反応数が取得された場合、推定部３２０は、反応数の推定値を推定する。取得部３１０において反応率が取得された場合、推定部３２０は、反応率の推定値を推定する。取得部３１０においてカーマ線量が取得された場合、推定部３２０は、カーマ線量の推定値を推定する。取得部３１０においてカーマ線量率が取得された場合、推定部３２０は、カーマ線量率の推定値を推定する。なお、推定部３２０は、外部に設けられた演算部のシミュレーション結果を取得することで推定値を得てもよい。この場合、推定部３２０は、例えば治療計画装置２００から推定値を得てもよい。
校正部３３０は、慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づく値を用いて、取得部３１０により得られた測定値を用いて推定部３２０により得られた推定値を校正する。ここで、慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づく値とは、慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づくパラメータである。すなわち、校正部３３０は、慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づくパラメータと同一の単位系にした測定値及び推定値において、測定値を基準として推定値を校正する。慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づく値は、例えば、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも１つを含む。校正部３３０は、取得部３１０が取得した測定値と推定部３２０が推定した推定値とを比較することで、測定値に対する推定部３２０の推定値の規格化定数を決める。校正部３３０は、規格化定数に基づき、推定値を校正（規格化）する。
校正部３３０は、例えば、取得部３１０が取得した測定値を用いて推定値に最小二乗法を適用することで規格化定数を決定する。これにより、校正部３３０は、エネルギー分布を考慮した中性子線Ｎの量に関する推定値を校正することができる。取得部３１０が取得した測定値が慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方の分布のピーク値である場合、校正部３３０は、例えば、測定値に対する推定値のピーク値の比を規格化定数としてもよい。取得部３１０が取得した測定値が反応数、反応率、カーマ線量又はカーマ線量率である場合、校正部３３０は、例えば、中性子線測定装置１００の制御部４０、治療計画装置２００又はユーザから核子の情報を得た上で、規格化定数を得て推定値を校正する。
送信部３４０は、校正部３３０により校正された推定値を治療計画装置２００に送信する。治療計画装置２００は、受信した推定値に基づき荷電粒子線Ｒによる治療計画を作成する。送信部３４０は、規格化定数を治療計画装置２００に送信してもよい。
次に、図１０を参照して、本実施形態に係る校正方法ＭＴの手順について説明する。まず、取得部３１０は、測定値出力部４６から測定値を取得する（ステップＳ２１０：測定値を取得する工程）。次に、推定部３２０は、推定値を取得する（ステップＳ２２０：推定値を取得する工程）。次に、校正部３３０は、取得部３１０が取得した測定値に基づき、推定部３２０が推定した推定値を校正する（ステップＳ２３０：校正する工程）。次に、送信部３４０は、校正部３３０により校正された推定値を治療計画装置２００に送信する（ステップＳ２４０）。
次に、本実施形態に係る校正装置３００の作用・効果について説明する。
校正装置３００は、中性子線Ｎの量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、中性子線Ｎのエネルギー分布に基づく値を用いて中性子線の量に関する推定値を校正する。具体的には、校正装置３００は、ターゲット１０への荷電粒子線Ｒの照射によって発生する中性子線Ｎの量に関する推定値を校正する装置であって、中性子線Ｎの量の検出結果に基づいて演算された測定値を取得する取得部３１０と、推定値を取得する推定部３２０と、エネルギー分布に基づく値を用いて、測定値を基準として推定値を校正する校正部３３０と、を備える。
この校正装置３００は、校正部３３０においてエネルギー分布に基づく値を用いて、取得部３１０により得られた測定値を基準として推定部３２０により得られた推定値を校正する。エネルギー分布に基づく値は、真の熱中性子フルエンスのように、不確かさが大きい平均断面積に依存しない。さらに、校正部３３０は、エネルギー分布に基づく値を用いることにより、エネルギー分布を考慮した中性子線の量に関する推定値を校正することができる。このため、この校正装置３００は、エネルギー分布に基づく値を用いることにより、校正における不確かさの影響を低減することができる。以上より、この校正装置３００は、中性子線Ｎの量の推定精度を向上できる。
校正装置３００の校正部３３０は、中性子線Ｎのエネルギー分布に基づく値として、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いて推定値を校正する。この場合、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率は、真の熱中性子フルエンスのように、不確かさが大きい平均断面積に依存しない。また、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率は、フィルタなどを用いることなく、一回の測定で演算可能であるため、取得部３１０は容易に測定値を取得することができる。さらに、校正部３３０は、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いることにより、エネルギー分布を考慮した中性子線Ｎの量に関する推定値を校正することができる。このため、校正部３３０の校正において慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いることにより、校正における不確かさの影響を低減することができる。以上より、この校正装置３００は、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを有効に利用することができる。また、校正装置３００は、中性子線Ｎの測定結果を容易に取得することができ、中性子線Ｎの量の推定精度を向上できる。
本発明の他の側面に係る治療計画装置２００は、校正装置３００によって校正された推定値に基づいて荷電粒子線Ｒによる治療計画を行う。この治療計画装置２００は、校正装置３００により校正された推定値に基づいて治療計画を作成することができる。すなわち、校正装置３００がエネルギー分布に基づく値を用いて推定値を校正することにより、中性子線のエネルギー分布を考慮した治療計画装置の校正が可能となる。よって、この治療計画装置２００は、推定精度の向上した中性子線Ｎの量に基づいて治療計画を作成できる。
校正方法ＭＴは、中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて中性子線の量に関する推定値を校正する工程（ステップ２３０）を有する。具体的には、校正方法ＭＴは、ターゲット１０への荷電粒子線Ｒの照射によって発生した中性子線Ｎの量に対する中性子線Ｎの量の推定値を校正する方法であって、中性子線Ｎの量の検出結果に基づいて演算された測定値を取得する工程（ステップＳ２１０）と、推定値を取得する工程（ステップＳ２２０）と、慣用中性子フルエンス及び慣用中性子フルエンス率の少なくとも一方に基づく値を基準として、測定値を用いて推定値を校正する工程（ステップＳ２３０）と、を有する。
この校正方法ＭＴによれば、上述の校正装置３００と同様な作用・効果を得ることができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
上述の実施形態では、演算部は、慣用中性子フルエンスを演算していたが、更に慣用中性子フルエンス率を演算してもよい。慣用中性子フルエンス率（慣用中性子フラックス）は、慣用中性子フルエンスを単位時間で除した値である。慣用中性子フルエンス率は、一回の照射の中で、時間の経過と共に刻々と変化する値である。例えば、単位時間を１秒とした場合、演算部は、１秒に１回、慣用中性子フルエンス率を出力できる。すなわち、中性子線測定装置は、リアルタイムで慣用中性子フルエンス率を測定することが可能となる。また、演算部は、慣用中性子フルエンス率から、反応率、及びカーマ線量率を演算してよい。以上より、中性子線測定装置は、慣用中性子フルエンス率、反応率、及びカーマ線量率の少なくとも何れかをリアルタイムに測定してよい。この場合、中性子線の量を時間に応じてリアルタイムに把握することができる。なお、制御部において、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、反応数、反応率、カーマ線量、カーマ線量率のいずれを用いるかについては、単位系、検出器の種類等に基づき適宜選択されてよい。
また、中性子線測定装置１００又は校正装置３００においては、演算部は慣用中性子フルエンス、反応数、及びカーマ線量の少なくとも何れかを荷電粒子線の照射時間で除することで慣用中性子フルエンス率、反応率、及びカーマ線量率の少なくとも何れかの平均値を演算してよい。当該平均値は、一回の照射時間全体を通じての平均値であるため、一回の照射で一つだけ得られる値である。このように、照射時間全体を通じての中性子線の量を把握することができる。
また、演算部は慣用中性子フルエンス率を直接演算してもよい。例えば、測定器３４から中性子カウントレート（カント率、計数率）が入力された場合、カウントレートと補正係数と校正定数に基づいて慣用中性子フルエンス率を計算できる。カウントレートは中性子カウントをそのカウントを得るために要した時間で除した値である。測定器３４からカウントレートと時間を取得して、治療計画装置２００、ユーザ又は校正装置３００に慣用中性子フルエンス率と時間を提供すれば、治療計画装置２００、ユーザ又は校正装置３００は慣用中性子フルエンスを計算できる。このように、慣用中性子フルエンス率は必ずしも慣用中性子フルエンスを介して演算されなくともよい。カウントレートは１秒に１回といったリアルタイム測定以外の用途も考えられる。一回の測定（たとえば１００秒）の時の平均カウントレート（たとえば１０００００カウント毎秒）と測定時間（１００秒）を取得して、１００秒間における慣用中性子フルエンス率（の平均値）が分かれば、その値に１００秒を乗ずることで慣用中性子フルエンスを演算することができる。
なお、本発明は、シンチレータ以外の検出器を適用することができる。例えば、中性子の個数を計る検出器として、３Ｈｅのガスを用いた比例計数管、１０Ｂを蒸着した比例計数管などが適用されてよい。検出方法は特に限定されるものではないが、中性子を数えるタイプのものが好ましい。一実施形態として検出部３０が１／ｖ検出器を備えて構成される例を挙げたが、検出部３０は、１／ｖ検出器を備えてなくてもよい。加速器２から出射される荷電粒子線Ｒの照射によって発生した中性子線Ｎがパルス状に照射される場合、検出部３０は、例えば、ＴｏＦ（Time of Flight）検出器であってもよい。この場合、検出部３０は、１つのパルス状の中性子線ＮがＴｏＦ検出器に入射してから入射し終わるまでの時間により中性子線Ｎのエネルギーを算出し、エネルギーに対するフルエンスを算出することができる。また、検出部３０は、エネルギー分解能の高いシンチレータ３１を複数台使用し、エネルギーの広い範囲を網羅することで、エネルギーに対するフルエンスを算出してもよい。
例えば、上述の中性子線測定装置１００は、反応数演算部４２及びカーマ線量演算部４３を有していたが、少なくとも慣用中性子フルエンス演算部４１を有していればよく、反応数演算部４２及びカーマ線量演算部４３を省略してもよい。
中性子線測定装置１００又は治療計画装置２００のいずれか一方が校正装置３００を有していてもよい。中性子線測定装置１００が校正装置３００を有する場合、校正装置３００は、制御部４０内に設けられる。取得部３１０が直接演算部と接続して、慣用中性子フルエンス、反応数又はカーマ線量を取得してもよい。この場合、制御部４０は、測定値出力部４６を省略してもよい。治療計画装置２００が校正装置３００を有する場合、送信部３４０は省略してもよい。校正装置３００において、取得部３１０が取得した測定値と推定部３２０が取得した推定値の値とのパラメータの単位系が異なっていてもよい。すなわち、推定部３２０は、取得部３１０が取得した測定値と異なるパラメータの単位系で表される推定値を取得してもよい。この場合、例えば、校正部３３０は、測定値及び推定値のパラメータの単位系が同一となるように測定値及び推定値の少なくとも一方のパラメータを演算して変換し、その上で推定値の校正をおこなってもよい。
１…中性子捕捉療法装置、１０…ターゲット、３０…検出部、４１…慣用中性子フルエンス演算部（演算部）、４２…反応数演算部（演算部）、４３…カーマ線量演算部（演算部）、６０…表示部、１００…中性子線測定装置、２００…治療計画装置、３００…校正装置、３１０…取得部、３２０…推定部、３３０…校正部、３４０…送信部、ＭＴ…校正方法。

Claims (4)

  1. 中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、前記中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて前記中性子線の量に関する推定値を校正する、校正装置。
  2. 前記中性子線のエネルギー分布に基づく値として、慣用中性子フルエンス、慣用中性子フルエンス率、所定の原子の反応数、反応率、カーマ線量及びカーマ線量率の少なくとも一つを用いて前記推定値を校正する、請求項１に記載の校正装置。
  3. 請求項１又は２の何れか一項に記載の前記校正装置によって校正された前記推定値に基づいて荷電粒子線による治療計画を行う、治療計画装置。
  4. 中性子線の量の検出結果に基づいて演算された測定値を基準として、前記中性子線のエネルギー分布に基づく値を用いて前記中性子線の量に関する推定値を校正する工程を有する、校正方法。
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