JP2023183194A - ビームモニタ装置、加速器及び放射線治療装置及びビーム測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームの３次元的な構造を把握することが可能にするビームモニタ装置を提供する。
【解決手段】撮像部は、陽子ビーム１０３の進行方向と交差する複数の方向のそれぞれから陽子ビーム１０３に応じて発生する蛍光を撮像した複数の撮像画像を生成する。計算機１３は、複数の撮像画像に基づいて、３次元空間内の陽子ビーム１０３の分布である３次元ビーム分布を取得する。計算機１４は、３次元ビーム分布に基づいて、陽子ビーム１０３の進行方向と交差する２方向における陽子ビーム１０３の位置及び運動量による分散及び共分散を算出する。
【選択図】図１

Description

本開示は、ビームモニタ装置、加速器及び放射線治療装置及びビーム測定方法に関する。

放射線治療装置などで使用される加速器においてビームを安定的に供給するためには、ビームをリアルタイムで監視する必要がある。特に大電流の荷電粒子ビームでは、荷電粒子ビームが通過する空間の空間電荷によるビーム品質への影響が顕著であるため、荷電粒子ビームの状態を監視することが重要である。

非特許文献１には、荷電粒子ビームの軌道と平行に設置したＣＣＤ（Charge-Coupled Device：荷電結合素子）カメラを用いて荷電粒子ビームとその軌道上の残留ガスとの相互作用により発生する蛍光を検出することで、荷電粒子ビームのエンベロープ及び２次元方向のエミッタンスを測定する技術が開示されている。この技術では、荷電粒子ビームに測定器を接触させない非接触測定により荷電粒子ビームをリアルタイムで監視することが可能となるため、荷電粒子ビームに影響を与えないリアルタイムの監視が可能となる。

Welsch, Carsten P. "Non-destructive beam profile monitors." Proceedings of the 8th International Particle Accelerator Conference IPAC. 2017, p. 1234-1239.

非特許文献１に記載の技術では、ＣＣＤカメラを設置した単一の平面にビームの粒子分布を射影してエミッタンスなどを測定しているため、ビームの粒子分布を立体的に検出することができない。このため、ビームの３次元的な構造を把握することができず、特にビームの進行方向と交差する互いに異なる２方向の位置と運動量とで構成される４次元位相空間における分散、共分散及びエミッタンスなどを測定することができないという問題がある。

なお、ビームを輸送する過程では、ビーム自身が有する電荷と輸送中の磁場との作用により、ビーム軸に垂直な平面内で、ビームの粒子分布が相関を有したり、ビームのトポロジーが異なる状態になったりすることがある。このため、ビームの状態を正確に把握するためには、ビームの３次元的な構造を把握すること、特に４次元位相空間における分散、共分散及びエミッタンスなどを測定することが重要となる。

本開示の目的は、ビームの３次元的な構造を把握することが可能なビームモニタ装置、加速器及び放射線治療装置及びビーム測定方法を提供することにある。

本開示の一態様に従うビームモニタ装置は、荷電粒子ビームを監視するビームモニタ装置であって、前記荷電粒子ビームの進行方向と交差する複数の方向のそれぞれから前記荷電粒子ビームに応じて発生する蛍光を撮像した複数の撮像画像を生成する撮像部と、前記複数の撮像画像に基づいて、３次元空間内の前記荷電粒子ビームの分布である３次元ビーム分布を取得する取得部と、前記３次元ビーム分布に基づいて、前記進行方向と交差する２方向における前記荷電粒子ビームの位置及び運動量による分散及び共分散を算出する算出部と、を有する。

本発明によれば、ビームの３次元的な構造を把握することが可能になる。

本開示の実施例に係るホウ素中性子捕捉療法システムを示す図である。 ビーム監視処理の一例を説明するためのフローチャートである。 ３次元ビーム画像の一例を示す図である。

以下、本開示の実施例について図面を参照して説明する。

図１、本開示の実施例に係るホウ素中性子捕捉療法システムを示す図である。図１に示すホウ素中性子捕捉療法システム９９９は、患者に放射線を照射して患者の癌などの患部を治療する放射線治療装置の一種である。具体的には、ホウ素中性子捕捉療法システム９９９は、薬剤によりホウ素を集積させた患者の癌細胞に対して、放射線として熱中性子ビームを照射する。

ホウ素中性子捕捉療法システム９９９は、加速器室１０００、加速器運転室１００１及び治療室(図示せず)にわたって配置される。

加速器室１０００は、内部が放射線管理区域となる部屋であり、放射線の漏洩を防止するためにコンクリートによる厚い遮蔽壁１０００ａを外周に備える。加速器室１０００には、人の立ち入りが制限される。また、加速器室１０００には、ホウ素中性子捕捉療法システム９９９の構成要素として、加速器１００と、リチウムターゲット１０７と、ビームモニタ１を構成するＣＣＤカメラ１１及びモータ駆動式回転架台１２とが設置されている。

加速器運転室１００１は、加速器室１０００の近傍に配置された非放射線管理区域の部屋である。加速器運転室１００１は、ホウ素中性子捕捉療法システム９９９の構成要素として、ビームモニタ１を構成する計算機１３、計算機１４、表示装置１５、記録装置１６及びスピーカ１７が設置されている。なお、加速器運転室１００１には、放射線治療の際に、ホウ素中性子捕捉療法システム９９９の運転業務を行う加速器運転者１００２が滞在する。加速器運転者１００２は、表示装置１５からの視覚情報及びスピーカ１７からの聴覚情報に基づいてビームの状態を把握して、加速器１００の運転業務を行う。

加速器１００は、粒子線ビームを加速して出射する。本実施例では、加速器１００は、粒子線ビームとして、荷電粒子ビームである陽子ビーム１０３を出射する陽子加速器であり、電流が２５ｍＡ、運動エネルギーが３０ｋｅＶの陽子ビーム１０３を運動エネルギーが２．５Ｍｅｖになるまで加速してリチウムターゲット１０７へ出射する。

加速器１００は、イオン源１１０、低エネルギービーム輸送ライン１０５及び高周波四重極線形加速器１０６を有する。

イオン源１１０は、陽子ビームを生成して出射する出射部である。図１の例では、イオン源１１０は、電子サイクロトロン共鳴(ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance)型のイオン源であり、内部にプラズマ室(図示せず)を備え、さらに引き出し電極１０２及びビーム引き出し電源１０４を有する。

プラズマ室内では、水素ガスが高周波電圧にて電離されることで、水素プラズマが生成される。水素プラズマ内の陽子は、引き出し電極１０２に印加された電圧によってプラズマ室の外部に引き出され、陽子ビーム１０３として低エネルギービーム輸送ライン１０５に出射される。陽子ビーム１０３は、運動量を有する陽子の集合である。また、プラズマ室から引き出される陽子ビーム１０３は、本実施例では、２５ｍＡの電流と３０kｅVの運動エネルギーとを有する。

引き出し電極１０２は、具体的には、互いに対向して配置された２枚の平板電極を有し、これらの平板電極の間に３０ｋＶの電圧が印加されることで、プラズマ室で発生した水素プラズマ内の陽子が３０ｋｅＶまで加速されて陽子ビーム１０３として出射される。

ビーム引き出し電源１０４は、高電圧電源であり、引き出し電極１０２に対して３０ｋVの高電圧を印加する。ビーム引き出し電源１０４が印加する電圧は、ケーブル５４を介して計算機１４にて制御される。ケーブル５４は、例えば、ＢＮＣ（Bayonet Neill Concelman）ケーブルである。

低エネルギービーム輸送ライン１０５は、内部が真空引きされており、その内部を低エネルギーのビームが通過する輸送ラインである。本実施例では、低エネルギービーム輸送ライン１０５は、イオン源１１０から出射された陽子ビーム１０３を輸送して高周波四重極線形加速器１０６に入射する。低エネルギービーム輸送ライン１０５は、ソレノイド型電磁石１０５１及び１０５２と、測定箇所１０１とを備える。

ソレノイド型電磁石１０５１及び１０５２は、陽子ビーム１０３の進行方向に沿って螺旋状に巻かれた電線を有し、その電線に対してソレノイド電磁石電源１０５３及び１０５４から供給される電流によって、陽子ビーム１０３の進行方向に平行な磁場を誘起する電磁石である。ソレノイド型電磁石１０５１及び１０５２は、誘起した磁場によって陽子ビーム１０３に対して収束力を与え、高周波四重極線形加速器１０６で加速可能な形状に成形して高周波四重極線形加速器１０６に出射する。

ソレノイド電磁石電源１０５３及び１０５４は、大電流出力電源であり、ソレノイド型電磁石１０５１及び１０５２に対して、２０Ａ～１００Aの範囲の電流を供給する。ソレノイド電磁石電源１０５３及び１０５４が供給する電流は、ケーブル５６及び５７を介して計算機１４にて制御され、その値が時間的に変化されることで陽子ビーム１０３を高周波四重極線形加速器１０６にて加速可能な形状に成形する。ケーブル５６及び５７は、例えば、ＢＮＣケーブルである。

測定箇所１０１は、低エネルギービーム輸送ライン１０５において、側壁部が光透過性を有する窓１０８で形成された箇所である。窓１０８は、例えば、鉛ガラスなどで形成される。窓１０８は、低エネルギービーム輸送ライン１０５内で陽子ビーム１０３に応じて発生した蛍光を低エネルギービーム輸送ライン１０５の外部から測定可能にするための部位である。本実施例では、測定箇所１０１は、陽子ビーム１０３が低エネルギービーム輸送ライン１０５から高周波四重極線形加速器１０６に入射する直前の箇所としているが、別の箇所でもよい。例えば、測定箇所１０１は、高周波四重極線形加速器１０６に設けられてもよい。

高周波四重極線形加速器１０６は、加速用高周波源１０５５から供給される加速電圧である高周波電圧を用いて、粒子線ビームを直線に沿って加速する加速器である。本実施例では、高周波四重極線形加速器１０６は、高周波電圧を用いて、陽子ビーム１０３を、収束力を加えながら運動エネルギーが２．５ＭｅＶになるまで加速して、リチウムターゲット１０７に出射する。

加速用高周波源１０５５は、マイクロ波を発生させる真空管を備えた高周波源であり、高周波四重極線形加速器１０６に対して陽子ビーム１０３を加速するための高周波電圧を供給する。加速用高周波源１０５５が供給する高周波電圧は、ケーブル５８を介して計算機１４にて行われる。このとき、計算機１４は、加速周波数などを変調させることができる。ケーブル５８は、例えば、ＢＮＣケーブルである。

リチウムターゲット１０７は、主にリチウム（Ｌｉ）で構成された円錐型のターゲットであり、底面が高周波四重極線形加速器１０６側を向くように配置される。リチウムターゲット１０７は、冷却水による除熱機能を備える。リチウムターゲット１０７は、加速器１００から供給される陽子ビーム１０３内の陽子と^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応を起こすことで熱中性子を発生させて熱中性子ビームとして、治療室にいる患者に対して出射する。

ＣＣＤカメラ１１、モータ駆動式回転架台１２、計算機１３、計算機１４、表示装置１５、記録装置１６及びスピーカ１７は、ビームモニタ１を構成する。ビームモニタ１は、陽子ビーム１０３をリアルタイムで監視し、その監視結果に基づいて、ビームの異常を検知するビームモニタ装置である。

ＣＣＤカメラ１１及びモータ駆動式回転架台１２は、測定箇所１０１において、陽子ビーム１０３の進行方向と交差する複数の撮像方向のそれぞれから陽子ビーム１０３に応じて発生する蛍光を窓１０８を介して撮像して、各撮像方向に対応した複数の撮像画像を生成する撮像部を構成する。撮像方向は、陽子ビーム１０３の進行方向であるビーム軸方向と直交することが望ましく、本実施例では、ビーム軸方向と略直交している。

ＣＣＤカメラ１１は、半導体素子であるＣＣＤを撮像素子として用いたカメラであり、測定箇所１０１において、陽子ビーム１０３に応じて発生する蛍光の発生位置及び強度を測定する。ＣＣＤカメラ１１は、ボルトなどによってモータ駆動式回転架台１２に固定される。また、ＣＣＤカメラ１１は、ケーブル５０を介して加速器運転室１００１内に設置された計算機１３に通信可能に接続される。ケーブル５０は、例えば、ＲＪ４５ケーブルである。

モータ駆動式回転架台１２は、陽子ビーム１０３のビーム軸方向を回転軸方向として、ＣＣＤカメラ１１を低エネルギービーム輸送ライン１０５の周りを回転させることで、ＣＣＤカメラ１１を陽子ビーム１０３の周りを回転させる駆動部である。モータ駆動式回転架台１２は、ガイドレール１８と、プレート１９と、モータ（図示せず）とを有する。

ガイドレール１８は、アルミ製の環を２つ組み合わせたレールであり、窓１０８を取り囲むように環状に配置される。プレート１９は、ガイドレール１８に支持される。また、プレート１９には、ＣＣＤカメラ１１がボルトなどで固定される。プレート１９は、モータによって駆動され、ガードレール１８に沿って移動する。これにより、プレート１９は、自身に固定されたＣＣＤカメラ１１と共に、陽子ビーム１０３の周りを回転し、ＣＣＤカメラ１１は、陽子ビーム１０３のビーム軸方向と略直交する複数の撮像方向のそれぞれから陽子ビーム１０３に応じた蛍光を撮像することが可能となる。

計算機１３は、電子回路によりデジタルデータの入出力、演算及び変換などの種々の情報処理を行う計算機である。計算機１３は、加速器運転室１００１内に設置されており、ケーブル５１を介して計算機１４と通信可能に接続される。ケーブル５１は、例えば、ＲＪ４５ケーブルである。

計算機１３は、ＣＣＤカメラ１１にて取得された複数の撮像画像に基づいて、陽子ビーム１０３に応じた蛍光の３次元空間内の分布を、陽子ビーム１０３の３次元空間内の分布である３次元ビーム分布として示す３次元ビーム画像を取得する取得部として機能する。

計算機１４は、電子回路によりデジタルデータの入出力、演算及び変換などの種々の情報処理を行う計算機である。計算機１４は、ケーブル５２を介して表示装置１５と、ケーブル５３を介して記録装置１６と、ケーブル５５を介してスピーカ１７と通信可能に接続される。ケーブル５２及び５３は、例えば、ＲＪ４５ケーブルであり、ケーブル５５は、例えば、同軸ケーブルである。

計算機１４は、計算機１３にて生成された３次元ビーム画像に基づいて、ビーム軸方向と交差（具体的には、略直交）する２方向における陽子ビーム１０３の位置及び運動量による分散及び共分散を示す分散・共分散行列と、陽子ビーム１０３のエミッタンスとを算出する算出部として機能する。

また、計算機１４は、算出結果に基づいて、陽子ビーム１０３に異常が発生したか否かを判定する。具体的には、計算機１４は、分散・共分散行列の各要素が所定の閾値行列の各要素である閾値を超えたか否かと、エミッタンスがエミッタンス閾値を超えたか否かを判定する。計算機１４は、その判定結果に基づいて、陽子ビーム１０３に異常が発生したか否かを判定する。異常が発生したと判定した場合、計算機１４は、表示装置１５、スピーカ１７、ビーム引き出し電源１０４、ソレノイド電磁石電源１０５３、１０５４、及び加速用高周波源１０５５の出力の制御を行うフィードバック処理を実行する。

なお、計算機１３及び１４は、コンピュータプログラムを記録するメモリと、そのメモリに記録されたコンピュータプログラムを読み取り、その読み取ったコンピュータプログラムを実行して上記の機能を実現するプロセッサとを有するコンピュータシステムでもよい。

分散・共分散行列は、４行４列の実対称行列であり、ビーム軸方向と交差する互いに異なる２方向の位置及び運動量の相関を表す行列である。エミッタンスは、ビームの品質を表す指標（数値）であり、分散・共分散行列の行列式を算出した値である。閾値行列は、４行４列の実対称行列であり、閾値行列のｉ行ｊ列の要素が分散・共分散行列のｉ行ｊ列の要素に対応する閾値である。分散・共分散行列及びエミッタンスのより詳細な説明は後述する。

表示装置１５は、文字、図形及びグラフィックなどの種々の情報を表示する装置であり、加速器運転室１００１に設置される。表示装置１５は、例えば、計算機１３にて取得された３次元ビーム画像と、計算機１４にて算出された分散・共分散行列及びエミッタンスとをリアルタイムに表示し、加速器運転者１００２に通知する。

記録装置１６は、磁気テープのような記録媒体（図示せず）を有し、その記録媒体に情報を書き込む装置である。本実施例では、記録装置１６は、計算機１３にて取得された３次元ビーム画像と、計算機１４にて算出された分散・共分散行列及びエミッタンスを記録媒体に逐次書き込んで記録する。

スピーカ１７は、電気信号を音声に変換する音声出力装置であり、加速器運転室１００１に設置される。スピーカ１７は、陽子ビーム１０３が異常と判定された異常検知時に、計算機１４から電気信号を受け付け、その電気信号に応じたアラーム音を出力することで、加速器運転者１００２にアラーム（陽子ビーム１０３の異常）を通知する通知部として機能する。

図２は、陽子ビーム１０３を監視するビーム監視処理の一例を説明するためのフローチャートである。

ビーム監視処理では、先ず、計算機１４は、加速器運転者１００２から閾値行列及びエミッタンスに対する閾値であるエミッタンス閾値を受け付け、その閾値行列及びエミッタンス閾値を自身に設定する（ステップＳ１）。

続いて、計算機１４は、加速器運転者１００２からの指示に従って、ビーム引き出し電源１０４を起動し、イオン源１１０による陽子ビーム１０３の生成及び出射を開始すると共に、ソレノイド電磁石電源１０５３、１０５４及び加速用高周波源１０５５を制御して、陽子ビーム１０３の加速を行う（ステップＳ２）。これにより、イオン源１１０から出射された陽子ビーム１０３は、低エネルギービーム輸送ライン１０５及び高周波四重極線形加速器１０６を介して加速されてリチウムターゲット１０７に照射される。その結果、リチウムターゲット１０７と陽子ビーム１０３とによって^７Ｌｉ（ｐ，ｎ）^７Ｂｅ反応が発生し、熱中性子ビームが生成されて治療室にいる患者に照射される。

ＣＣＤカメラ１１は、計算機１３からの指示に従って、イオン源１１０から出射された陽子ビーム１０３に応じた蛍光を撮像して撮像画像を生成し、その撮像画像を計算機１３に送信する（ステップＳ３）。

具体的には、陽子ビーム１０３は、低エネルギービーム輸送ライン１０５内で、陽子ビーム１０３自身又は陽子ビーム１０３にて励起された窒素が電子を捕捉することで蛍光を発生させる。ＣＣＤカメラ１１は、この蛍光を測定箇所１０１に設けられた鉛ガラス製の窓１０８を介して撮像する。また、ＣＣＤカメラ１１は、モータ駆動式回転架台１２のプレート１９に固定され、窓１０８を取り囲むように環状に配置されたガイドレール１８に沿って移動する。そして、ＣＣＤカメラ１１は、陽子ビーム１０３の周りを回転しながら複数の方向から陽子ビーム１０３に応じた蛍光を撮像する。撮像により取得した撮像画像は、計算機１３に逐次送信される。本実施例では、ＣＣＤカメラ１１は、少なくとも４つの異なる撮像方向から蛍光を撮像する。

計算機１３は、ＣＣＤカメラ１１から複数の撮像画像を受信し、その複数の撮像画像に基づいて、３次元ビーム画像を生成し、その３次元ビーム画像を計算機１４に送信する（ステップＳ４）。このとき、計算機１３は、例えば、複数の撮影画像に対して逆ラドン変換を実行することで、３次元ビーム画像を生成することができる。

計算機１４は、計算機１３から３次元ビーム画像を受信し、その３次元ビーム画像に基づいて、陽子ビーム１０３の分散・共分散行列及びエミッタンスを算出する。計算機１４は、その算出結果である分散・共分散行列及びエミッタンスを表示装置１５及び記録装置１６に送信する（ステップＳ５）。表示装置１５は、算出結果を受信すると、その算出結果を表示し、記録装置１６は、算出結果を受信すると、その算出結果を記録する（ステップＳ６）。

また、計算機１４は、分散・共分散行列の各要素と閾値行列の各要素である閾値とを比較し、かつ、エミッタンスとエミッタンス閾値とを比較して、陽子ビーム１０３に異常が発生したか否かを判定する（ステップＳ７）。本実施例では、計算機１４は、いずれかの値が閾値（エミッタンス閾値を含む）を超えている場合、陽子ビーム１０３に異常が発生したと判定し、全ての値が閾値を超えていない場合、陽子ビーム１０３に異常が発生していないと判定する。

異常が発生していない場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、ステップＳ３の処理に戻る。一方、異常が発生している場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、計算機１４は、ビーム停止信号をスピーカ１７及びビーム引き出し電源１０４に送信する。スピーカ１７は、ビーム停止信号を受信すると、陽子ビーム１０３に異常が発生したためにビームを停止することを通知するアラーム音を出力する。ビーム引き出し電源１０４は、ビーム停止信号を受信すると、引き出し電極１０２への電力の供給を停止して、イオン源１１０による陽子ビーム１０３の出射を停止させ（ステップＳ８）、処理を終了する。

次に計算機１４によるステップＳ５の処理をより詳細に説明する。

図３は、計算機１４にて使用される３次元ビーム画像の一例を示す図である。図３に示す３次元ビーム画像２０１は、陽子ビーム１０３に応じた蛍光の３次元分布を示す画像であり、本実施例では、陽子ビーム１０３の３次元分布を示す画像とみなされる。

図３の例では、陽子ビーム１０３が左から右に向かって輸送されている状態を示す。また、図３では、陽子ビーム１０３のビーム軸方向をｓ軸方向、ビーム軸方向から見て水平方向左向きをｘ_１軸の正の向き、ビーム軸方向に直交する鉛直方向上向きをｘ_３軸の正の向きとしている。また、３次元ビーム画像２０１の輝度分布ρ（ｘ_１，ｘ_３，ｓ）を用いて数１から算出される陽子ビーム１０３の輝度中心（ｘ_１，ｘ_３，ｓ）_{ｃｅｎｔｅｒ}を原点とする。

陽子ビーム１０３の分散・共分散行列Σ（ｓ）は数２で定義され、エミッタンスε（ｓ）は数３で定義される。

分散・共分散行列Σ（ｓ）は実対称行列であり、エミッタンスε（ｓ）は分散・共分散行列Σ（ｓ）の行列式である。数２及び数３において、ｘ_１（ｓ）は陽子ビーム１０３を構成する粒子（陽子）のｘ_１軸方向の位置、ｘ_３（ｓ）は当該粒子のｘ_３軸方向の位置、ｘ_２（ｓ）は、当該粒子の軌道のｘ_１軸方向の傾き、ｘ_４は当該粒子の軌道のｘ_２軸方向の傾きをそれぞれビーム軸方向ｓの関数として表したものである。傾きｘ_２（ｓ）は、当該粒子のｘ_１方向の運動量に対応し、傾きｘ_４（ｓ）は、当該粒子のｘ_３方向の運動量に対応する。したがって、変数ｘ_１(s)～ｘ_４(s)は、陽子ビーム１０３のビーム軸方向ｓと交差（具体的には、直交）する異なる２方向の位置と運動量とで構成される４次元位相空間の座標に対応する。また、分散・共分散行列Σ（ｓ）における対角成分＜ｘ_ｉ ^２（ｓ）＞は、変数ｘ_ｉ（ｓ）の分散を示し、非対角成分＜ｘ_ｉ（ｓ）ｘ_ｊ（ｓ）＞は、変数ｘ_ｉ（ｓ）と変数ｘ_ｊ（ｓ）の共分散を示す。なお、ｘ_ｉ（ｓ）の２乗（｛ｘ_ｉ（ｓ）｝^２）をｘ_ｉ ^２（ｓ）と表記している。

分散・共分散行列Σ（ｓ）における傾きｘ_２（ｓ）及びｘ_４（ｓ）を含まないｉ行ｊ列（ｉ≠ｊ）の要素Σ_ｉｊ（ｓ）は、数４で示すように、３次元ビーム画像２０１の輝度分布ρ（ｘ_１，ｘ_３，ｓ）を重みとした関数ｘ_ｉ（ｓ）ｘ_ｊ（ｓ）の重み付き平均にて算出される。なお、輝度分布ρ（ｘ_１，ｘ_３，ｓ）及び位置ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）は、３次元ビーム画像２０１から算出される。

また、分散・共分散行列Σ（ｓ）における傾きｘ_２（ｓ）及びｘ_４（ｓ）を含むｉ行ｊ列の要素Σ_ｉｊ（ｓ）は、以下のステップＳ１１～Ｓ１３にて算出される。

ステップＳ１１：計算機１４は、３次元ビーム画像２０１に基づいて、ｓ軸に沿って所定の間隔Δｓごとに、変数ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）の分散＜ｘ_１ ^２＞及び＜ｘ_３ ^２＞を算出する。間隔Δｓは、例えば、３次元ビーム画像のｓ軸方向の全長ＬｓとＣＣＤカメラ１１のｓ軸方向のピクセル数ＮｐＨとに応じて、Δｓ＝Ｌｓ／ＮｐＨで定められ、例えば、０．０５ｍｍ～０．１ｍｍ程度である。

ステップＳ１２：計算機１４は、間隔Δｓごとに算出された＜ｘ_１ ^２＞及び＜ｘ_３ ^２＞を、数５で示されるエンベロープ方程式にフィッティングすることで、変数ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）の分散＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞を変数ｓの関数として取得する。なお、数５で示されるエンベロープ方程式は、自由空間における陽子ビーム自身の空気電荷のみを考慮したエンベロープ方程式である。また、数５において、ｐ１～ｐ４はフィッティングパラメータである。

ステップS１３：計算機１４は、数６で示すように、分散＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞に対してｓ軸方向の１階微分を行うことで、共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_２（ｓ）＞及び＜ｘ_３（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞を算出する。

また、傾きｘ_２（ｓ）及びｘ_４（ｓ）の分散＜ｘ_２ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_４ ^２（ｓ）＞については、計算機１４は、数７に示すように、分散＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞に対してｓ軸方向の２階微分を行うことで算出する。

また、位置ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）と傾きｘ_２（ｓ）及びｘ_４（ｓ）の共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞及び＜ｘ_２（ｓ）ｘ_３（ｓ）＞は、数８に示すように、ｓ軸方向を回転軸とした回転の角速度ωを用いて、位置ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）の分散＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞と関連づけられる。また、角速度ωは、数９に示すように、位置ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）の共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_３（ｓ）＞のｓ軸方向の１階微分と関係づけられる。

このため、計算機１４は、共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞及び＜ｘ_２（ｓ）ｘ_３（ｓ）＞を、共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_３（ｓ）＞のｓ軸方向の依存性に基づいて算出する。

具体的には、計算機１４は、先ず、ｓ軸に沿って所定の間隔Δｓごとに、変数ｘ_１（ｓ）及びｘ_３（ｓ）の共分散＜ｘ_１ｘ_３＞を算出する。続いて、計算機１４は、間隔Δｓごとに算出された＜ｘ_１ｘ_３＞、＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞を、数９の微分方程式でフィッティングすることで、フィッティングパラメータとしてωを取得する。そして、計算機１４は、そのフィッティングパラメータωと数８とを用いて、共分散＜ｘ_１（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞及び＜ｘ_２（ｓ）ｘ_３（ｓ）＞を算出する。また、分散＜ｘ_１ ^２（ｓ）＞及び＜ｘ_３ ^２（ｓ）＞としては、上述のステップＳ１２で算出された関数が使用される。

また、計算機１４は、ｓ軸に沿った所定の間隔Δｓごとの共分散＜ｘ_１ｘ_３＞の変化量Δ＜ｘ_１ｘ_３＞／Δｓの変化量Δ（Δ＜ｘ_１ｘ_３＞）／Δｓ^２を間隔Δｓごとに算出する。この値は傾き間の共分散＜ｘ_２（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞と数１０に示される関係を満たすため、計算機１４は、数１０を用いて＜ｘ_２（ｓ）ｘ_４（ｓ）＞を算出する。

以上により、分散・共分散行列の全ての要素を算出することができ、さらにエミッタンスは分散・共分散行列の行列式として算出される。

次に計算機１４によるステップＳ７の処理をより詳細に説明する。

計算機１４は、分散・共分散行列及びエミッタンスの変数ｓに所定値（ここでは、０とする）を代入する。さらに、分散・共分散行列及び閾値行列は、共に実対称行列であるため、計算機１４は、例えば、分散・共分散行列及び閾値行列におけるｉ＜ｊの場合のｉ行ｊ列の成分を０とした上で閾値行列から分散・共分散行列を差し引いた行列を差行列として算出する。計算機１４は、差行列における、ｉ≧ｊとなるｉ行ｊ列の各要素について正負判定を行う。計算機１４は、負の判定が出た時点で異常が発生したと判断する。また、同様に、計算機１４は、エミッタンス閾値からエミッタンスを差し引いた差分値の正負判定を行い、差分値が負の場合、異常が発生したと判断する。

以上説明した構成、機能及び動作は、単なる一例であってこれに限定されるものではない。例えば、本実施例では、ビームモニタ１は、ホウ素中性子捕捉療法システム９９９用の加速器１００のビーム監視を行っているが、ビーム監視を行う加速器は、この例に限らず、例えば、核変換・核融合用の加速器でもよいし、粒子線治療用の加速器でもよい。また、加速器１００は直線加速器であるが、ビーム監視を行う加速器は、円形加速器などでもよい。

また、ビームモニタ１のカメラとしてＣＣＤカメラ１１が使用されていたが、ＣＣＤカメラ１１の代わりに、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、マルチチャンネル光電子増倍管又はシリコン光電子増倍管（ＳＩＰＭ：Silicon Photomultiplier）アレイなどが使用されてもよい。また、ＣＣＤカメラ１１とモータ駆動式回転架台１２とを用いて複数の方向のそれぞれから撮像画像を取得していたが、複数台のカメラを測定箇所１０１の窓１０８を囲むように配置することで、複数の方向のそれぞれから撮像画像を取得してもよい。また、計算機１３及び１４の機能は、１つの計算機で実現されてもよいし、３つ以上の計算機で実現されてもよい。

また、陽子ビーム１０３に異常が発生した場合、計算機１４は、ソレノイド電磁石電源１０５３、１０５４及び加速用高周波源１０５５などを制御することで、陽子ビーム１０３の状態を調整してもよい。例えば、計算機１４は、ソレノイド電磁石電源１０５３及び１０５４からソレノイド型電磁石１０５１及び１０５２に供給する電磁石電流の値及び周期や、加速用高周波源１０５５から高周波四重極線形加速器１０６に供給する加速電圧の値及び周期などを示す制御信号をソレノイド電磁石電源１０５３、１０５４及び加速用高周波源１０５５に送信して、ソレノイド電磁石電源１０５３、１０５４及び加速用高周波源１０５５を制御する。

このとき、計算機１４は、制御信号が示す電磁石電流及び加速電圧を、分散・共分散行列及びエミッタンスに基づいて決定する。例えば、計算機１４は、分散・共分散行列の各要素及びエミッタンスと電磁石電流及び加速電圧との関係を示すルックアップテーブルを保持しておき、ルックアップテーブルに基づいて、閾値を超えた分散・共分散行列の要素又はエミッタンスに応じた電磁石電流及び加速電圧を決定する。

また、撮像画像は、互いに異なる２方向から取得されればよい。この場合、陽子ビーム１０３の形状に対称性を過程することで３次元ビーム画像を生成することができる。

以上説明したように本実施例によれば、撮像部は、陽子ビーム１０３の進行方向と交差する複数の方向のそれぞれから陽子ビーム１０３に応じて発生する蛍光を撮像した複数の撮像画像を生成する。計算機１３は、複数の撮像画像に基づいて、３次元空間内の陽子ビーム１０３の分布である３次元ビーム分布を取得する。計算機１４は、３次元ビーム分布に基づいて、陽子ビーム１０３の進行方向と交差する２方向における陽子ビーム１０３の位置及び運動量による分散及び共分散を算出する。したがって、陽子ビーム１０３の位置及び運動量による分散及び共分散はビームの３次元的な構造を表すため、ビームの３次元的な構造を把握することが可能となる。

また、本実施例では、上記の分散及び共分散に基づいて、陽子ビーム１０３のエミッタンスが算出されるため、ビームの３次元的な構造をより正確に把握することが可能となる。

また、本実施例では、ＣＣＤカメラ１１が陽子ビーム１０３の周りを回転することで、複数の方向から撮像画像が取得される。このため、ＣＣＤカメラ１１を複数台用意する必要がないため、コストを軽減しつつビームの３次元的な構造を把握することが可能となる。

また、本実施例では、計算機１４は、分散及び共分散に基づいて、陽子ビーム１０３に異常が発生したか否かを判定する。このため、ビームの３次元的な構造に基づいて、ビームの異常を正確に判定することが可能となる。

また、本実施例では、陽子ビーム１０３に異常が発生した場合、アラームが通知されるため、加速器運転者１００２が陽子ビーム１０３の異常を把握することが可能となる。

また、本実施例では、陽子ビーム１０３に異常が発生した場合、陽子ビーム１０３の出射が停止されるため、異常な陽子ビーム１０３が出射されることを抑制することが可能となる。

また、本実施例では、陽子ビーム１０３に異常が発生した場合、分散及び共分散に基づいて、陽子ビームの状態が調整されるため、異常な陽子ビーム１０３が出射されることを抑制することが可能となる。

上述した本開示の実施例は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。

１：ビームモニタ １１：ＣＣＤカメラ １２：モータ駆動式回転架台 １３：計算機 １４：計算機 １５：表示装置 １６：記録装置 １７：スピーカ １８：ガイドレール １９：プレート １００：加速器 １０１：測定箇所 １０２：引き出し電極 １０３：陽子ビーム １０４：ビーム引き出し電源 １０５：低エネルギービーム輸送ライン １０６：高周波四重極線形加速器 １０７：リチウムターゲット １０８：窓 １１０：イオン源 ９９９：ホウ素中性子捕捉療法システム １０００：加速器室 １０００ａ：遮蔽壁 １００１：加速器運転室 １００２：加速器運転者 １０５１：ソレノイド型電磁石 １０５３：ソレノイド電磁石電源 １０５４：ソレノイド電磁石電源 １０５５：加速用高周波源

Claims (10)

1. 荷電粒子ビームを監視するビームモニタ装置であって、
   前記荷電粒子ビームの進行方向と交差する複数の方向のそれぞれから前記荷電粒子ビームに応じて発生する蛍光を撮像した複数の撮像画像を生成する撮像部と、
   前記複数の撮像画像に基づいて、３次元空間内の前記荷電粒子ビームの分布である３次元ビーム分布を取得する取得部と、
   前記３次元ビーム分布に基づいて、前記進行方向と交差する２方向における前記荷電粒子ビームの位置及び運動量による分散及び共分散を算出する算出部と、を有するビームモニタ装置。
2. 前記算出部は、前記分散及び前記共分散に基づいて、前記荷電粒子ビームのエミッタンスを算出する、請求項１に記載のビームモニタ装置。
3. 前記撮像部は、
   前記蛍光を撮像して前記撮像画像を生成するカメラと、
   前記荷電粒子ビームの進行方向を回転軸方向として、前記カメラを前記荷電粒子ビームの周りを回転させる駆動部と、を有する、請求項１に記載のビームモニタ装置。
4. 前記算出部は、前記分散及び前記共分散に基づいて、前記荷電粒子ビームに異常が発生したか否かを判定する、請求項１に記載のビームモニタ装置。
5. 前記荷電粒子ビームに異常が発生した場合、アラームを通知する通知部をさらに有する請求項４に記載のビームモニタ装置。
6. 荷電粒子ビームを加速して出射する加速器であって、
   前記荷電粒子ビームを生成する出射部と
   前記出射部にて生成された荷電粒子ビームを輸送する輸送ラインと、
   請求項１に記載のビームモニタ装置と、を有し、
   前記輸送ラインは、壁面部が光透過性を有する窓で形成された測定箇所を有し、
   前記ビームモニタ装置の撮像部は、前記窓を介して前記蛍光を撮像する、加速器。
7. 前記ビームモニタ装置の算出部は、前記分散及び前記共分散に基づいて、前記荷電粒子ビームに異常が発生したか否かを判定し、前記荷電粒子ビームに異常が発生した場合、前記出射部からの前記荷電粒子ビームの出射を停止させる、請求項６に記載の加速器。
8. 前記ビームモニタ装置の算出部は、前記分散及び前記共分散に基づいて、前記荷電粒子ビームに異常が発生したか否かを判定し、前記荷電粒子ビームに異常が発生した場合、前記分散及び前記共分散に基づいて、前記荷電粒子ビームの状態を調整する、請求項６に記載の加速器。
9. 請求項６に記載の加速器と、
   前記加速器からの前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、を有する放射線治療装置。
10. 荷電粒子ビームを監視するビームモニタ装置によるビーム測定方法であって、
    前記荷電粒子ビームの進行方向と交差する複数の方向のそれぞれから前記荷電粒子ビームに応じて発生する蛍光を撮像した複数の撮像画像を生成し、
    前記複数の撮像画像に基づいて、３次元空間内の前記荷電粒子ビームの分布である３次元ビーム分布を取得し、
    前記３次元ビーム分布に基づいて、前記進行方向と交差する２方向における前記荷電粒子ビームの位置及び運動量の分散及び共分散を算出する、ビーム測定方法。
    
    

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