JP2021126397A - ビーム監視システム、粒子線治療システム、およびビーム監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】治療中に照射された荷電粒子ビームの到達位置の測定の感度と位置分解能を高めること。【解決手段】荷電粒子ビーム１１と照射対象２０との相互作用により発生するガンマ線１３を検出するガンマ線検出器３０と、ガンマ線検出器とビームの照射軸との間に配置され、複数のスリットを有する遮蔽体４０と、ガンマ線検出器の検出結果を解析し、遮蔽体と検出器とビームの照射軸との幾何学的配置に基づき、検出したガンマ線の計数分布をビーム照射軸の分布に再構成する演算部５１を備える。演算部は、再構成後の分布から粒子ビームの到達位置を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子線治療システムに係り、特に、粒子線を腫瘍に照射する際に、粒子ビームの体内での飛程を計測する技術に関する。

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。一般に、患者の体内に照射された陽子線や重粒子線等の荷電粒子ビーム（以下、単に粒子ビームという）には、所定の深さで止まり、その直前にエネルギが最大になるという性質がある。粒子ビームが到達する深さは、粒子ビームのエネルギに応じて定まる。

粒子線治療では、この粒子ビームの性質を生かし、粒子ビームのエネルギを変更することで粒子ビームの到達位置を調整し、粒子線が患部で止まるようにして、その直前にエネルギを患部に与え、患部の組織を破壊する。しかし、実際の粒子ビームの到達位置は、装置側な要因や患者側の要因により、設計された到達位置とは必ずしも一致しない。このため治療に際しては、粒子ビームの到達位置を確認する必要がある。粒子ビームの到達位置の確認のため、荷電粒子の深さ方向（照射軸方向）への線量分布を計測する技術が従来から提案されている。

例えば、特許文献１、非特許文献１には粒子ビームと照射対象との相互作用によって発生する放射線を計測することで、深さ方向の線量分布を計測する装置が記載されている。すなわち、粒子ビームが照射対象内部を進行するとき、粒子ビームと照射対象内部の原子との衝突により即発ガンマ線が発生する。特許文献１記載の方法では、ガンマ線ピンホールカメラを使用し、また非特許文献１記載の方法では、コリメータを使用したガンマカメラを使用して、粒子ビームの照射により発生した即発ガンマ線の深さ方向への線量分布を計測し、ブラッグピークの位置を求めている。ここで、ブラッグピークは、荷電粒子ビームのエネルギを深さ方向の線量分布で表したときに、その線量分布のピークとして定義される。ブラッグピークの位置が荷電粒子ビームの到達位置に相当する。

特表２０１１−５２６５０４号公報

Ｉ. Ｐｅｒａｌｉ, ｅｔ. ａｌ., Ｐｒｏｍｐｔ ｇａｍｍａ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｐｅｎｃｉｌ ｂｅａｍｓ ａｔ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｄｏｓｅ ｒａｔｅ, Ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ ５９ (１９) (２０１４) ５８４９.

従来の粒子線システムでは、荷電粒子ビームが照射された位置を十分な感度および分解能で測定することが困難であった。例えば、非特許文献1に記載の技術では，コリメータ間の隙間（スリット）の幅を大きくすると即発ガンマ線に対する感度は向上するが、荷電粒子ビームが照射された位置の分解能が低下するという課題がある。

本発明の目的は、荷電粒子ビームが照射された位置を測定する際の測定感度および測定の空間分解能を向上することである。

上記目的を達成するために、本発明は、粒子ビームの進行方向すなわち照射軸に沿って、複数の検出素子が配置されたガンマ線検出器を配置するとともに、照射軸とガンマ線検出器との間に、ガンマ線の透過部をビーム進行方向に沿って複数設けた遮蔽体を配置する。そして、複数の透過部を通過して検出器の各検出素子に到達するガンマ線の、照射軸方向に沿った計数値分布（プロファイル）から、粒子線エネルギが最大となるガンマ線の発生位置を推定する。

即ち、本発明のビーム監視システムは、被照射体に照射された粒子ビームの照射軸に沿って発生する即発ガンマ線を検出し、粒子ビームの飛程を監視するビーム監視システムであって、粒子ビームの進行方向に沿って配列し、それぞれガンマ線を検出する複数の検出素子を備えた検出器と、粒子ビームの照射軸と検出器との間に配置され、ガンマ線を透過する透過部が形成されたガンマ線遮蔽体と、複数の検出素子がそれぞれ検出したガンマ線の計数値を用いて、粒子ビームのエネルギが最大となるブラッグピークを推定する演算部とを備える。ガンマ線遮蔽体は、透過部を照射軸に沿って複数備える。演算部は、一つの検出素子に、複数の透過部を通って異なる時間に入射するガンマ線の計数値を積算し、検出素子毎にガンマ線計数値の積算値をプロットしたプロファイルを作成し、作成したプロファイルを用いてブラッグピークを推定する。

また本発明の粒子線治療システムは、粒子ビームを照射する粒子線照射装置と、当該粒子線照射装置を制御する制御装置と、粒子ビームが照射される被照射体の周囲の少なくとも１か所に配置され、ビームの飛程を監視するビーム監視装置と、を備える。ビーム監視装置は、上述した本発明のビーム監視システムである。

本発明のビーム監視方法は、被照射体に照射された粒子ビームの照射軸に沿って発生する即発ガンマ線を検出し、粒子ビームの飛程を監視するビーム監視方法であって、次のステップを含む。ガンマ線を検出する複数の検出素子を備えた検出器を、検出素子の配列方向が照射軸と概ね一致するように被照射体の近傍に配置するとともに、粒子ビームの照射軸と検出器との間に、照射軸に沿って、ガンマ線を透過する複数の透過部が形成された遮蔽体を配置する。ビームが被照射体を通過する際に、個々の検出素子に、複数の透過部を通って異なる時間に入射するガンマ線の計数値を積算する。検出素子毎にガンマ線計数値の積算値をプロットしたプロファイルを作成し、作成したプロファイルを用いてブラッグピークを推定する。

本発明によれば、照射軸とガンマ線検出器との間に、複数の透過部を持つ遮蔽体を配置したことにより、粒子ビームの進行に沿って発生するガンマ線は、複数の透過部を通して、異なる発生位置で複数の検出器により検出される。本発明によれば、複数の透過部から各検出素子に到達したガンマ線の計数値の積算値を解析することで、荷電粒子ビームが照射された位置を計測する際の感度と位置分解能を向上することができる。その結果、高い精度で粒子線の照射位置を確認することができ、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。

本発明の粒子線治療システムの一実施形態を示す構成図である。 ビーム照射軸ｚ方向の線量分布を概念的に示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、各実施形態の演算部の機能ブロック図である。 本発明の第1の実施形態の制御装置が実行する処理のフローチャートである。 本発明の第1の実施形態による検出器と遮蔽体構造を示す概念図である。 （Ａ）は、本発明の第1の実施形態による検出器におけるカウントプロファイルを示す概念図、（Ｂ）はビーム照射軸に再構成したプロファイルを示す概念図である。 本発明の第２の実施形態によるビームの到達位置を求める処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態によるビームの到達位置を求める方法を概念的に示す図である。 本発明の第３の実施形態によるビームの到達位置を求める処理のフローチャートである。 遮蔽体構造の変形例を示す図である。 検出器構造の変形例を示す図である。 スリット構造の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。複数の図面に示された同一の要素は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず各実施形態に共通する粒子線治療システムの全体構成について、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態の粒子線治療システム１００は、図１に示すように、被照射体２０（粒子線治療の対象である患者）に粒子線を照射する粒子線照射装置１と、被照射体２０に照射された粒子線をモニタするビーム監視装置３と、を備えている。ビーム監視装置３は、粒子線の照射に伴い発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器３０と、ガンマ線検出器３０と被照射体２０との間に配置されたガンマ線遮蔽体（以下、単に遮蔽体という）４０と、ガンマ線検出器３０に接続され、その検出結果に対し演算を行うとともに粒子線照射装置１の制御を行う制御装置５０を備えている。なお本明細書では、粒子線治療システムに組み込まれたビーム監視システムをビーム監視装置と称している。

粒子線照射装置１は、被照射体２０に対して、荷電粒子ビーム（以下、単に粒子ビームという）１１を照射するもので、図示していないが、サイクロンやシンクロトロンなどを有し、陽子や炭素等の荷電粒子線を発生する粒子線発生装置、粒子線発生装置から出力された荷電粒子線を輸送する粒子線輸送装置、及び、粒子ビームの方向性やビーム径（照射野）を制御して被照射体２０内の標的、例えば腫瘍に向けて粒子ビームを照射する照射部などを備えている。粒子線照射装置１は、さらに、ビーム監視システム３による監視結果に従って、粒子線発生装置や照射装置の動作を制御する照射制御部１０をさらに備えていてもよい。

ガンマ線検出器３０は、粒子ビーム１１を照射された被照射体２０の体内組織が発生する即発ガンマ線１３を検出する。即発ガンマ線は、単位ガンマ線のカウント値として検出される。ガンマ線検出器３０がガンマ線を検出する手段としては公知の手段を採ることができ、限定されるものではないが、例えば、シンチレータおよびシンチレータから発せられた光を電子信号に変換する光電変換器から構成することができる。シンチレータとしては、例えば、ＬａＢｒ_３、ＧＳＯ、ＬＹＳＯおよびＢＧＯ等が用いてもよいし、これらとは異なる組成の放射線発光素子を用いてもよい。光電変換器としては、例えば、光電子増倍管、フォトダイオード等を用いることができる。また、シンチレータではなく、例えば、ＣｄＴｅやＣＺ等の半導体検出器を用いてもよく、この場合、ガンマ線検出器３０は、光電変換器の代わりに前置増幅器を用いる。

ガンマ線検出器３０は、複数の検出素子が少なくとも一次元方向に配列したアレイ型の検出器であり、検出素子の配列方向が、粒子ビームの照射軸（以下、単に照射軸という）とほぼ一致するように配置されている。これにより照射軸に対し角度をもって飛来する即発ガンマ線を捉えることができる。また照射軸方向の位置は、治療計画で設定されている照射の目標位置が検出範囲に含まれるように設置する。
なお後述する実施形態において詳述するが、ガンマ線検出器３０の数は、一つでもよいが、照射軸の周りに複数配置されることが望ましい。これによりガンマ線検出の精度を高めることができる。ガンマ線検出器３０の各検出素子が検出したガンマ線のカウント値が制御装置５０に入力される。

遮蔽体４０は、ガンマ線を実質的に透過しない材料によって形成される。実質的に透過しない材料としては、質量数が大きく、密度の高い物質を用いることができ、例えば、鉛または鉛を含む材料やタングステンなどでもよい。遮蔽体４０は、ガンマ線検出器３０の照射軸側に設置され、ガンマ線検出器３０の検出範囲を制限する。遮蔽体４０は、照射軸に沿って複数のガンマ線透過部を有する。透過部はガンマ線を透過する材料でもよいし、遮蔽体４０に形成したスリット４１でもよい。以下、透過部はスリットであるとして説明を進める。

スリット４１の数は、２以上であれば特に限定されないが、例えば２〜１０個程度である。スリット４１の照射軸方向の幅は、狭いほど位置の検出精度は高いが検出できる範囲が狭くなる。また隣接するスリット４１の間隔は、隣接するスリット４１をそれぞれ透過したガンマ線が検出器３０に到来する範囲がある程度重なることが好ましい。例えば、スリット幅は１ｍｍ〜１０ｍｍ程度、スリット間隔は１ｃｍ〜３ｃｍ程度とする。但し、これらの数値は一例であって、限定されるものではない。

粒子ビームの照射軸に沿ったガンマ線発生源とガンマ線検出器３０との間に、このように複数の透過部を有する遮蔽体４０を配置することにより、ガンマ線検出器３０の各検出素子には、粒子ビームの移動に伴って、異なるスリット４１からのガンマ線が時間差をもって飛来する。従って、ガンマ線検出器３０の検出出力は、異なるスリット４１を経て各検出素子に飛来したカウント値の積算値となる。ここでは、検出器の検出素子配列方向（検出器軸）に沿って検出器の積算値をプロットしたものをカウント値のプロファイルあるいは単にプロファイルと定義する。このプロファイルは、粒子ビームの線量分布を反映しているので、これを解析することで、粒子ビームの線量分布が推定可能となる。

制御装置５０は、ガンマ線検出器３０の検出出力（プロファイル）を解析し、粒子ビームの照射軸方向の線量分布において線量が最大となる点、すなわちブラッグピーク（ＢＰ）を推定する。このため、制御装置５０は、ガンマ線検出器３０の検出出力を解析する演算部５１を備えている。また制御装置５０は、演算結果を表示する表示部５３や解析に必要なデータや演算部５１による解析結果等を格納するデータベース５５を備えていてもよい。演算部５１が行う解析の具体的な手法は後述の実施形態において詳述する。

制御装置５０（演算部５１）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサと、メモリとを備えたコンピュータ等によって構成することができ、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、演算部５１の機能をソフトウエアにより実現する。ただし、演算部５１は、その一部または全部の機能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を用いて演算部５１を構成し、その機能を実現するように回路設計を行ってもよい。

制御装置５０が備えるＤＢ５５には、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード等が用いられてもよい。ＤＢ５５は、インターネット等の通信回線上にあるストレージであってもよい。さらに、制御装置５０が実行する処理のうちの一部は、外部のコンピュータが実行してもよい。

本実施形態の粒子線治療システムでは、治療計画において照射ターゲット（腫瘍等）の位置が定まると、粒子ビームの照射軸方向に沿った線量分布が極大になるブラッグピークの位置ＢＰが患部における照射の目標位置と一致するように、粒子ビームのエネルギが設定される。通常、粒子ビームの照射は、照射ターゲットを複数の小領域に分け、照射位置を変えながら、各小領域をスポット状に照射することで行われる。この場合、例えば、照射軸方向で最も遠くに位置する小領域の位置を照射の目標位置に設定する。

図２に、粒子ビームの照射軸方向に沿った線量分布２００を概念的に表したものを示す。この分布は、治療計画で計算した荷電粒子ビームの照射位置に１回だけビームを照射した場合において、ビーム照射軸方向ｚにおける各位置に線量を対応づけたものである。ビーム照射軸ｚの線量分布は、粒子ビームのエネルギに応じた位置で極大となる。線量分布が極大になる位置ＢＰがブラッグピークと定義される位置である。

次いで、粒子線照射装置１が粒子ビームを目標位置に照射する。粒子ビームの照射開始とともに、ビーム監視装置３は即発ガンマ線の検出を開始し、ガンマ線検出器３０が検出したガンマ線のカウント値の積算値の分布（プロファイル）を解析し、このブラックピークの位置すなわち荷電粒子の到達位置を算出する。算出された粒子の到達位置は、制御装置５０内の記憶装置やＤＢ５５に記憶され、あるいは、表示部５３に表示される。ユーザは、表示部５３に表示された情報によって、照射の目標位置に粒子ビーム１１が到達したか否かを確認することができる。

制御装置５０が対象領域２１に粒子ビーム１１が当たっていないと判定した場合、制御装置５０は、粒子線照射装置１に制御信号を送り、粒子ビームの照射を中止する。その上で、例えば、目標位置を変更するため調整を行う。あるいは、照射制御部１０を介して、粒子線照射装置１が被照射体２０に粒子ビーム１１を照射する位置を修正する制御を行う構成とすることも可能である。さらに必要に応じて、ガンマ線検出器３０の配置位置を変更する指示／示唆を、表示部５３を介してユーザに与えてもよい。

本実施形態によれば、粒子ビーム１１を腫瘍等の対象領域２１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。これにより、粒子ビーム１１の照射により深刻な損傷を受けやすい正常組織２２の近傍に腫瘍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によれば、粒子ビーム１１が腫瘍等の対象領域２１に照射されていることを確認できるため、粒子ビーム１１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。

次にガンマ検出器３０の検出結果であるガンマ線のプロファイルを利用したビーム監視装置（ビーム監視システム）の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
本実施形態は、演算部５１がプロファイルを用いた再構成演算を行って、粒子ビームの照射軸に沿ったガンマ線の分布を再構成し、この再構成プロファイルをもとに到達位置を推定することが特徴である。このため、本実施形態の演算部５１Ａは、図３（Ａ）に示すように、プロファイルをスリット毎に分離する分離部５１１及びプロファイルの再構成演算を行う再構成部５１３を備えている。

以下、図４のフロー及び図５を参照して、本実施形態の演算部５１Ａの処理を説明する。ここでは、１つの照射の目標位置に粒子ビームを複数回（Ｎ回）にわたって照射する場合の処理を取り上げる。

まず、治療計画で予め定められた位置にガンマ線検出器３０を設置する。各々の照射の目標位置に対し、ビーム照射軸と平行な検出器軸xにおける検出素子の位置ｘ＝ｘ１〜ｘＮを予め定め、ＤＢ５５に記憶させる。またＤＢ５５には、特定のビーム照射軸上の位置ｚ０に照射された粒子ビーム１１から発生するガンマ線１３を検出した場合のプロファイルを基準データとして格納しておく。このような基準データは、例えば、装置の保守点検等にファントム等を用いて、粒子ビーム１１を照射した際に発生するガンマ線をガンマ線検出器３０で検出し、そのときカウント値のプロファイルを照射軸方向に沿ったプロファイル（基準再構成プロファイル）に変換しておくことにより得ることができる。カウント値のプロファイルを照射軸方向に沿ったプロファイルに変換する手法は、後述する再構成ステップと同様であり、同ステップにおいて詳述する。

［カウント値の算出とプロファイルの作成：Ｓ１］
ガンマ線検出器３０は、自らに向かって到来したガンマ線１３を検出し、ガンマ線１３が検出されたことを示す検出信号を制御装置５０に出力する。演算部５１Ａは、ガンマ線検出器３０の各検出素子から出力された検出信号に基づいて、ガンマ線１３についてのカウント値を求める（Ｓ１）。カウント値は、Ｎ回の照射において、ガンマ線が検出された頻度を表す。すなわちＮ回の照射終了までに検出したガンマ線エネルギーのヒストグラムを作成し、所定のエネルギー範囲のものをカウント値として計数する。

図５は、粒子ビーム１１が照射の目標位置に照射されたときのガンマ線検出器３０と遮蔽体４０の関係を示す模式図である。図中、荷電粒子ビーム１１が体内組織に付与したエネルギに沿って、粒子ビームの照射軸上からガンマ線検出器３０に到来したガンマ線１３を模式的に表している。

図５に示すように、ガンマ線検出器３０と平行に配置された複数のスリット４１を通過したガンマ線１３は、スリット位置Ｙiを中心として照射軸と反転した位置の検出素子の位置ｘiで検出される。このとき、ガンマ線検出器の位置ｘに対するスリット４１を通過したガンマ線１３の到来方向は、粒子ビーム１１の到達位置に関わらず、照射軸上の位置ｚ、スリット位置Ｙi、検出器位置ｘiの幾何学的な配置によって決まる。具体的には、遮蔽体４０の厚みＤ及びスリットの幅ｄと、遮蔽体４０とビーム照射軸との距離Ｌ１及びガンマ線検出器３０と遮蔽体４０との距離Ｌ２とから、そのスリットを通過するガンマ線が発生するビーム照射軸上の範囲Ｗ１及びそのスリットを通過したガンマ線が到来するガンマ線検出器３０の範囲Ｗ２が確定し、互いに対応する照射軸上の位置とガンマ線検出器３０の位置とが確定する。ただし、図示していないが、ガンマ線１３は、遮蔽体４０で遮蔽されずにガンマ線検出器３０に到来することもある。したがって、ガンマ線検出器３０で計測したガンマ線１３の空間分布は、照射軸上で発生したガンマ線１３の空間分布とは一致しない。

また遮蔽体４０は、複数のスリット４１を有しているので、一つの検出素子に着目すると、その検出素子に到来するガンマ線１３はそれぞれのスリットを通過して到来するため、到来するガンマ線の数が増える。このとき、検出素子で検出されるガンマ線のカウント値は、それぞれのスリットを通過して到来したガンマ線の足し合わせとなる。

図６（Ａ）に、ガンマ線検出器３０のそれぞれの位置（検出素子）ｘで検出されたカウントプロファイル６００を示す。ガンマ線検出器３０で計測されるカウント値のプロファイルは、スリット４１を通過した位置ではカウントが高く、遮蔽体４０を通過した位置ではカウントが低くなる。２つのスリット位置Ｙ1とＹ２を通過して検出器位置Ｘｉで検出されたカウント値（Ｃi）は、スリット位置Ｙ1を通過して検出されたカウント値とスリット位置Ｙ２を通過して検出されたカウント値とのプロファイル６０１，６０２の重ね合わせとなる。

［スリット位置毎の分離：Ｓ２］
演算部５１Ａの分離部５１１は、ガンマ線検出器３０のカウント値のプロファイル６００を用いて、スリット位置毎のプロファイル６０１、６０２に分離する。スリット位置毎に分離する手法として、例えば、次のような方法がある。一つの方法は、予めシミュレーションにより単一のスリットを通過したときのプロファイルを求めておき、これを参照プロファイルとする。スリットの幾何学配置に基づき、参照プロファイルの位置をシフトさせて、シフト前後の参照プロファイルを足し合わせて合成プロファイルを作成する。この合成プロファイルと各位置の参照ファイルとを位置毎に比較することにより、合成プロファイルにおけるスリット位置毎の参照プロファイル（カウント値）の割合を求める。この割合をステップＳ１で得たプロファイルに適用しプロファイル６０１、６０２を得る。なお図６（Ａ）では、二つのスリットのプロファイルを示しているが、スリットが３以上であっても同様に割合を求めることが可能である。

別の方法として、複数のスリットを有する体系でシミュレーションを行い、それぞれのスリットを通過したガンマ線が各検出器位置ｘiで検出される割合を求め、分離してもよい。ただし、ここで挙げた分離方法は、本実施形態を説明する上での一例にすぎず、本願を制限するものではない。

［再構成：Ｓ３、Ｓ４］
演算部５１Ａの再構成部５１３は、スリット位置毎のプロファイル（検出器位置を横軸とするカウント値のプロファイル）を、それぞれ、ビーム照射軸のカウント値に変換（再構成）する（Ｓ３）。前述したように、照射軸上のガンマ線発生位置と、そのガンマ線を検出する検出器位置は、その幾何学的配置から一義に求めることができる。従って、作成したプロファイルにおける所定の検出器位置のカウント値をそれに対応する照射軸上の位置のカウント値とすることで、再構成を行うことができる。その後、スリット位置毎のビーム照射軸におけるカウント値分布を足し合わせて、ビーム照射軸に再構成したプロファイル（再構成プロファイル）を作成する（Ｓ４）。

図６（Ｂ）に、ビーム照射軸上に再構成されたカウント値のプロファイル６１０を示す。図中、下側には、足し合わせる前の２つのプロファイル６１１、６１２（図では、両者が重なっていて識別ができないが）を示している。

［シフト量及び到達位置の算出：Ｓ５、Ｓ６］
演算部５１Ａは、ＤＢ５５から、基準データ、すなわち特定のビーム照射軸上の位置ｚ０に照射された荷電粒子ビーム１１から発生するガンマ線１３の基準再構成プロファイル（検出器で検出したカウント値のプロファイルを再構成したプロファイル）を読み込み、ステップＳ４で作成した再構成プロファイル６１０と、基準データの位置関係から、ブラッグピークの位置ＢＰを求める。具体的には、基準再構成プロファイルと再構成されたプロファイル６１０のビーム照射軸方向のシフト量Δｚを求め（Ｓ５）、ＢＰ＝ｚ０+Δｚ、すなわち、荷電粒子ビーム１１の到達位置を求める（Ｓ６）。基準データの位置とプロファイル６１０の位置の相違に基づいてブラッグピークの位置ＢＰを求める処理は、例えば、公知の画像マッチング処理等のプログラムに基づく数値計算で行うことができる。そのため、制御装置（演算部５１Ａ）によって迅速に処理が行われる。

なお、ビーム到達位置の算出方法は、前述の手法に限定されるものではない。前述のように、検出されたプロファイル６１０は、発生したガンマ線の位置情報を持つ。発生するガンマ線の量はＢＰ位置で極大となるため、再構成プロファイルの極大位置はＢＰ位置の情報を持つ。このように、基準データを用いることなく、プロファイル６１０の極大位置からビーム到達位置を求めてもよい。

制御装置５０は、こうして求めた荷電粒子ビーム１１の到達位置を表示部５３に表示させる。ユーザは、表示部５３に表示された到達位置を確認することで、治療が適切に行われているか否かを確認したり、照射位置を変更しながら照射を行う前に、実際の到達位置が目標位置となるように粒子線照射装置１を調整したりすることができる。

このように、本実施形態にかかる粒子線治療システムでは、複数のスリットを有する遮蔽体を通過するガンマ線を検出し、粒子荷電ビームとスリットと検出器の幾何学的な位置関係から各スリットを通過したガンマ線を分離し、そのプロファイルを照射軸に再構成することにより、ブラッグピークの位置ＢＰが十分な分解能で求められ、荷電粒子ビームが照射された位置（荷電粒子ビームの到達位置）が十分な分解能で求められる。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したりすることができる。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、本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２の実施形態＞
第１の実施形態では、演算部５１Ａはガンマ線検出器３０の検出結果から得たプロファイルをスリット毎のプロファイルに分離し、それらをビーム照射軸のプロファイルに再構成して再構成プロファイルを作成したが、本実施形態では第一の実施形態のようなプロファイルの分離や再構成を行うことなく、検出結果であるプロファイルの特徴からＢＰを算出する。このため本実施形態の演算部５１Ｂは、図３（Ｂ）に示すように特徴抽出部５１５を備えている。

図７のフローを参照して、本実施形態の演算部５１Ｂの処理を説明する。本実施形態でもガンマ線検出器３０を設置したのち、各々の照射の目標位置に対し、ビーム照射軸と平行な検出器軸xにおける検出素子の位置ｘ＝ｘ１〜ｘＮを予め定め、ＤＢ５５に記憶させることは第一の実施形態と同じである。また本実施形態では、基準データとして、特定のビーム照射軸上の位置ｚ０に照射された荷電粒子ビーム１１から発生するガンマ線１３を、ガンマ線検出器３０で検出した場合のプロファイル（基準プロファイル：検出位置方向のカウント値分布）をＤＢ５５には、格納しておく。

［カウントプロファイルの作成：Ｓ７１、Ｓ７２］
このステップでは、第一の実施形態と同様に、ガンマ線検出器３０の検出器位置毎のカウント値を用いてプロファイルを作成する。

［特徴点の位置及びシフト量の算出：Ｓ７３、Ｓ７４］
特徴抽出部５１５は、ステップＳ７２で作成したプロファイルについて特徴点を求め、その位置を求める。特徴点としては、プロファイルの最大値、プロファイルを微分した曲線から求められる最急峻位置、などを用いることができる。この位置は、検出器軸における位置でもよいし、検出器の所定の点（例えば、端部）を原点としてそれとの差として求めてもよい。ＤＢ５５に格納された基準プロファイルについても、同様に、同じ特徴点について、その位置を求めておく（Ｓ７３）。

基準プロファイルの特徴点の位置に対する、ステップＳ７２のプロファイルの特徴点の位置のシフト量（Δｘ）を算出する（Ｓ７４）。

［ＢＰ位置の算出：Ｓ７５］
演算部５１Ｂは、ステップＳ７４で算出した検出器軸方向のシフト量（Δｘ）を、検出器３０、遮蔽体４０のスリット４１及び照射軸との幾何学的な配置の関係に基づき、照射軸上のシフト量（Δｚ）に換算し、換算後のシフト量を、基準データの照射位置（ｚ０）に加算して、荷電粒子ビーム１１の到達位置を求める。

図８に、シミュレーションで求めたガンマ線検出器３０の検出器位置に沿ったカウント値分布（基準プロファイル）８００と、実測したカウント値分布（プロファイル）８０１とを示す。この例では、２つのプロファイルを近似した曲線の最大値との差（Δｘ）をシフト量として、算出している。

ビーム照射軸におけるガンマ線の分布が図２に示すように明確なピーク（ＢＰ）を示すのに対し、ガンマ線検出器３０のカウント値のプロファイルには鋭いピークが現れないが、適切な特徴点を用いることにより精度よくシフト量を算出することができる。また本実施形態によれば第１の実施形態と同様に、複数の透過部（スリット）を持つ遮蔽体を用いたことにより、精度を落とすことなく広い範囲でビーム到達位置をモニタすることができる。

＜第３の実施形態＞
本実施形態では、照射の目標位置を異ならせた複数の参照データを用意しておき、これら参照データと実際に測定したデータとのマッチングによって、実際のビーム到達位置を決定する。このため本実施形態の演算部５１Ｃは、図３（Ｃ）に示すように、相関算出部５１７を有している。

以下、図９のフローを参照して本実施形態の演算部５１Ｃの処理を説明する。
本実施形態では、参照データとして、シミュレーションによって複数のビーム照射軸上の位置ｚ１、ｚ２、・・・に、それぞれ荷電粒子ビームを照射した場合に発生するガンマ線を、ガンマ線検出器３０で検出した場合のプロファイル（参照プロファイル）を取得しておき、ビーム照射軸上の到達位置が異なる複数の参照プロファイルをＤＢ５５に格納しておく（Ｓ９１）。

次いで、粒子線照射装置１により治療計画に従って実際の被照射体２０の目的位置に対し、複数回の照射を行い、その際、演算部５１Ｃは、発生するガンマ線をガンマ線検出器３０で検出しカウント値を求め（Ｓ９２）、さらに、求めたカウント値を用いてカウント値のプロファイルを作成する（Ｓ９３）。

演算部５１Ｃは、ＤＢ５５に格納されている複数の参照データ（カウント値の参照プロファイル）を読み出し、相関算出部５１７において、ステップＳ５３で作成したプロファイル曲線と読みだした複数のプロファイル曲線との相関を算出し（Ｓ９４）、参照データのうち相関が最大となるプロファイル曲線を決定する（Ｓ９５）。この決定した参照データを作成した際のビーム到達位置を、実際の照射位置（ＢＰ）位置とする。

なおビーム到達位置が隣接する２つの参照データの相関値がほぼ同じ場合には、これら２つの参照データのビーム到達位置の中間位置を実際の照射位置と決定してもよい。
以上では、参照データが、カウント値のプロファイルであり、カウント値のプロファイル同士を比較する場合を説明したが、参照データとして、カウント値のプロファイルをビーム照射軸に沿ったプロファイルに変換した再構成プロファイル（参照再構成プロファイル）を用いてもよい。その場合は、第一の実施形態と同様に、被照射体に対し複数回の粒子ビーム照射を行った時に得たカウント値のプロファイルを、遮蔽体４０のスリット４１と、ビーム照射軸上の位置およびガンマ線検出器の検出器位置との幾何学的関係を用いて、ビーム照射軸上のプロファイルに再構成し、異なるビーム到達位置を設定して算出した参照データとの相関を算出する。

本実施形態によれば、予め複数の参照データを用意しておくことにより、精度よく到達位置の推定を行うことができる。その他の効果は上述した実施形態と同様である。

＜構造の実施形態＞
以上、図１に示すビーム監視システム３を基本として、その制御装置（特に演算部５１）の機能の実施形態を説明したが、ビーム監視システム３の構造は図１のものに限らず、種々の変更が可能である。以下、構造の変形例を例示する。
＜変形例１＞
図１では、ビーム監視システム３が1台のガンマ線検出器３０を備える場合を示したが、ガンマ線検出器３０の数は２以上でもよく、ガンマ線検出器３０を複数設置することにより、ガンマ線検出の精度が向上し、ＢＰの算出精度及びビーム到達位置算出の精度を向上することができる。図１０に、ガンマ線検出器３０をビーム照射軸の周りに６台配置したビーム監視システムの例を示す。

図１０において、ビーム照射軸１１Ａは紙面に垂直であり、その周りに被照射体２である患者を取り囲むように６台の検出部２５が配置されている。６台の検出部２５は１つの制御装置５０（図１）に接続されている。検出部２５は、ガンマ線検出器３０と遮蔽体２０とを、検出素子の配列方向とスリット４１の配列方向が平行となるように所定の間隔で固定した組み立て体（アッセンブリ）である。

検出部２５は、それぞれ、検出素子の配列方向がビーム照射軸と平行となるようにビーム照射軸１１Ａの周囲に配置されている。すなわち、検出部２５を図中に太矢印Ｂで示す視点から見たときに、図１０の下図に示すように、遮蔽体４０がビーム照射軸側でガンマ線検出器３０が外側となり、かつ軸方向と検出素子配列方向とが一致するように配置されている。検出部２５とビーム照射軸との距離は、各検出器２５で同じでも異なっていてもよいが、ガンマ線のカウント値のプロファイルから再構成プロファイルを作成する場合には、それぞれの距離の情報が制御装置５０に与えられる。

本変形例のビーム監視システム３においても、制御装置５０が粒子ビーム照射によって発生するガンマ線を検出し、その検出結果を用いてビーム到達距離（ＢＰ）を推定することは上述した実施形態と同様であり、またビーム到達距離の推定手法はいずれの実施形態の手法でもよい。ただし本実施形態においては、制御装置５０の演算部５１は、６台のガンマ線検出器３０からの検出結果を入力し、それぞれのカウント値を算出し、プロファイルを作成する。その際、演算部５１は、６台分のカウント値を合算してプロファイルを求めてもよいし、それぞれのプロファイルを作成したのち、それを合成あるいは平均化してもよい。

その後、基準データあるいは参照データを用いて、到達位置を算出すること、算出した到達位置を表示部５３に表示させること、また必要に応じて、粒子線照射装置１を停止する制御を行うこと、は上述した実施形態と同様である。

なお図１０では、６台の検出部２５を配置した例を示したが、検出部２５の数は任意であり、照射部位や被照射体との位置関係などを考慮して適宜配置することができる。例えば、図１０では、上向きあるいは下向きに寝かせられた患者腹部の上側あるいは下側から粒子線を照射する場合であるが、例えば頭部に粒子線を照射する場合には、照射軸を挟んで２台あるいは３台の検出部２５を配置してもよい。

本変形例によれば、検出器２５の数を増やすことにより、ビーム到達位置の推定精度をさらに向上することができる。

＜変形例２＞
またガンマ検出器３０として、検出器を検出素子の厚み方向に積層した構造を採用することも可能である。一例を図１１に示す。

図１１に示すガンマ線検出器３０では、３台の検出器３１、３２、３３を積層した構造を有している。粒子ビームが被照射体を通過するときに発生しガンマ線検出器３０に到来するガンマ線は、ガンマ線検出器３０ですべて捕捉されるわけではなく、一部はそれを透過する。検出器を構成するシンチレータの厚みを増やすことで、捕捉率を高めることは可能であるが、その場合、飛来方向の精度が低下し、ビーム照射軸上の位置と検出器位置との関係が不明瞭になる。

本変形例では、シンチレータの厚みを増やすことなく、検出器を積層することにより、ガンマ線の検出感度を高めている。各検出器３１〜３３の検出結果は１つの制御装置５０に集約され、変形例１と同様に、到達位置の算出が行われる。これにより本実施形態においても、検出結果の加算効果による算出精度の向上を図ることができる。
なお本変形例の検出器の構造は、ガンマ線検出器を複数台設置した変形例１の各検出器に採用することも可能である。

＜変形例３＞
図１では、遮蔽体４０のスリット４１の形状として、照射軸を含む断面の形状が矩形である場合を示したが、スリット４１の形状は矩形に限らず、例えば、図１２に示すように、遮蔽体４０の厚み方向に幅が変化する形状であってもよい。図１２に示すスリット４１は、厚み方向の中央で最も幅が狭く、中央から端部に向かって幅が広がる断面形状である。

このような断面形状とすることにより、照射軸における位置と検出器位置との対応が、矩形のスリットよりも限定されるので、検出感度を高かめることができる。また中央の幅を矩形のスリットの幅と同一にするならば、一つのスリットで検出する範囲を広げることができ、軸方向の感度を向上することができる。
変形例１〜３は、単独であるいは適宜組み合わせて、上述した第１〜第３の実施形態に適用することが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態及び変形例を説明したが、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例は、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。

１：粒子線照射装置、３：ビーム監視装置（ビーム監視システム）、１１：粒子ビーム、１３：ガンマ線、１０：照射制御装置、２０：被照射体（患者）、２５：検出器と遮蔽体のアッセンブリ、３０：ガンマ線検出器、３１〜３３：検出器、４０：遮蔽体、４１：スリット（透過部）、５０：制御装置、５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ：演算部、５３：表示部、５５：データベース（ＤＢ）、１００：粒子線治療システム

Claims (15)

1. 被照射体に照射された粒子ビームの照射軸に沿って発生する即発ガンマ線を検出し、前記粒子ビームの到達位置を監視するビーム監視システムであって、
   前記粒子ビームの進行方向に沿って配列し、それぞれガンマ線を検出する複数の検出素子を備えた検出器と、前記粒子ビームの照射軸と前記検出器との間に配置され、ガンマ線を透過する透過部が形成されたガンマ線遮蔽体と、前記複数の検出素子がそれぞれ検出したガンマ線の計数値を用いて、前記粒子ビームのエネルギが最大となるブラッグピークを推定する演算部とを備え、前記ガンマ線遮蔽体は、前記照射軸に沿って複数の前記透過部を備え、
   前記演算部は、一つの検出素子に、前記複数の透過部を通って異なる時間に入射するガンマ線の計数値を積算し、検出素子毎にガンマ線計数値の積算値をプロットしたプロファイルを作成し、当該プロファイルを用いて前記ブラッグピークを推定することを特徴とするビーム監視システム。
2. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
   前記演算部は、前記プロファイルにおける検出素子毎のガンマ線計数値の積算値を、前記照射軸に沿ったガンマ線計数値に変換し再構成プロファイルを作成する再構成部を備え、当該再構成部が作成した前記再構成プロファイルを用いて前記ブラッグピークを推定することを特徴とするビーム監視システム。
3. 請求項２に記載のビーム監視システムであって、
   前記再構成部は、検出素子毎のガンマ線計数値の積算値を、透過部毎のガンマ線計数値に分離する分離部を有し、前記分離部が分離した透過部毎のガンマ線計数値を用いて、当該透過部と検出素子と照射軸との幾何学的関係に基づき、照射軸上の位置を算出し、当該位置で発生したガンマ線計数値を求めることを特徴とするビーム監視システム。
4. 請求項３に記載のビーム監視システムであって、
   前記分離部は、予め、複数の透過部のそれぞれについて、単一の透過部のみをガンマ線が透過する条件のもとで計測またはシミュレートして得た基準データを用いて、前記ガンマ線計数値の積算値における各透過部からの計数値の割合を算出し、当該割合を用いて前記ガンマ線計数値の積算値を分離することを特徴とするビーム監視システム。
5. 請求項３に記載のビーム監視システムであって、
   前記分離部は、予め、所定の到達位置を想定した粒子ビームについて、検出素子毎に入射されるガンマ線の計数値をシミュレートして得た基準データを用いて、前記ガンマ線計数値の積算値における各透過部からの計数値の割合を算出し、当該割合を用いて前記ガンマ線計数値の積算値を分離することを特徴とするビーム監視システム。
6. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
   前記ガンマ線遮蔽体及び前記検出器を１組として、前記照射軸の周りに複数組を配置し、
   前記演算部は、前記複数組の検出結果を用いて、前記ブラッグピークの推定を行うことを特徴とするビーム監視システム。
7. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
   前記透過部は、前記ガンマ線遮蔽体に形成されたスリットであることを特徴とするビーム監視システム。
8. 請求項７に記載のビーム監視システムであって、
   前記スリットは、前記照射軸を含む断面において、前記ガンマ線遮蔽体の厚み方向の中心に向かってスリット幅が漸減していることを特徴とするビーム監視システム。
9. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
   前記検出器は、前記検出素子の配列方向と直交する方向に、複数の検出器を積層した構造を有することを特徴とするビーム監視システム。
10. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
    前記演算部は、前記プロファイルの特徴を抽出する特徴抽出部をさらに備え、
    前記特徴抽出部は、予め、到達位置を想定した粒子ビームについて、検出素子毎に入射されるガンマ線の計数値をシミュレートして得た基準プロファイル、及び実測して得たプロファイルのそれぞれの特徴を抽出し、
    前記演算部は、前記基準プロファイルの特徴の位置と、前記実測して得たプロファイルの特徴の位置との差から、監視対象である粒子ビームのブラッグピークを推定することを特徴とするビーム監視システム。
11. 請求項１に記載のビーム監視システムであって、
    予め、複数の異なる到達位置を想定した複数の粒子ビームについて、検出素子毎に入射されるガンマ線の計数値をシミュレートして得た複数の参照プロファイル又は当該参照プロファイルを前記照射軸に沿ったガンマ線計数値に変換した参照再構成プロファイルを格納する記憶装置をさらに備え、
    前記演算部は、監視対象である粒子ビームについて作成したプロファイルと前記参照プロファイルとの一致度、又は前記プロファイルの再構成プロファイルと前記参照再構成プロファイルとの一致度に基づき、前記監視対象である粒子ビームについてブラッグピークを推定することを特徴とするビーム監視システム。
12. 粒子ビームを発生する粒子線発生装置と、当該粒子線発生装置を制御する粒子線制御装置と、前記粒子ビームが照射される被照射体の周囲の少なくとも１か所に配置され、前記ビームの飛程を監視するビーム監視装置と、を備えた粒子線治療システムであって、
    前記ビーム監視装置が、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のビーム監視システムであ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、
    前記粒子線制御装置は、前記ビーム監視装置の前記演算部が推定したブラッグピークの結果を入力し、推定したブラッグピークで決まるビーム到達位置と計画到達位置との差が所定以上のときに、前記粒子線発生装置による粒子ビームの発生を停止することを特徴とする粒子線治療システム。
14. 被照射体に照射された粒子ビームの照射軸に沿って発生する即発ガンマ線を検出し、前記粒子ビームの飛程を監視するビーム監視方法であって、
    ガンマ線を検出する複数の検出素子を備えた検出器を、前記検出素子の配列方向が前記照射軸と概ね一致するように前記被照射体の近傍に配置するとともに、前記粒子ビームと前記検出器との間に、照射軸に沿って前記ガンマ線を透過する複数の透過部が形成されたガンマ線遮蔽体を配置し、
    粒子ビームが前記被照射体を通過する際に、個々の検出素子に、前記複数の透過部を通って異なる時間に入射するガンマ線の計数値を積算し、
    検出素子毎にガンマ線計数値の積算値をプロットしたプロファイルを作成し、
    作成したプロファイルを用いて、前記粒子ビームのエネルギが最大となるブラッグポインントを推定することを特徴とするビーム監視方法。
15. 請求項１４に記載のビーム監視方法であって、
    前記プロファイルにおける検出素子毎のガンマ線計数値の積算値を、透過部毎のガンマ線計数値に分離し、
    分離した透過部毎のガンマ線計数値を用いて、当該透過部と検出素子と照射軸との幾何学的関係に基づき、照射軸上の位置を算出し、前記透過部毎のガンマ線計数値を、前記照射軸に沿ったガンマ線計数値に変換し、再構成プロファイルを作成し、
    前記再構成プロファイルを用いて前記ブラッグピークを推定することを特徴とするビーム監視方法。

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