JP3950977B2 - 体内埋め込み型リアルタイム式マイクロ線量計装置ならびに測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、放射線測定等に用いる体内埋め込み型リアルタイム式マイクロ線量計装置およびその測定方法に関する。
放射線治療技術は定位放射線治療、強度変調放射線治療(IMRT)に始まり、近年急速に進歩している分野で、照射精度の向上も著しい。にもかかわらずウエッジフィルタの計算ミスによる過照射など、放射線治療における医療事故が多発しているのが現状である。こうした医療事故の原因は体内の照射線量をリアルタイムに知ることができないことに起因している。
従来、この種の装置としては熱蛍光線量計(TLD)が用いられていた。これは素子に放射線が照射される事で結晶内の電子が励起され捕獲中心に移ると、加熱によって蛍光を発するもので、その蛍光量は吸収した放射線量に比例するため、この性質を放射線測定に利用したものである。しかし、この方法では、線量測定のためにいったん体外に出さなくてはならず、またリアルタイムに線量をモニターできないという欠点がある。また口腔内や膀胱、直腸といった臓器に電離箱式マイクロ線量計が用いられてきた。これは電離箱に放射線を照射すると、その線量率に比例した電離電流が発生することを利用して放射線量を測定するものである。しかしこの方法によると、ごく限られた臓器にのみ利用可能であり、無線形式ではないという問題がある。またさらに半導体を用いて腫瘍内に線量計を埋め込み、照射線量を無線信号の形で外部に出力させる体内埋め込み型線量計も開発された。特許文献１、２に開示された方法は体内埋め込み型半導体を用いて放射線量測定をするというものであるが、積算線量を計れるのみでありリアルタイムに放射線量をモニタリングするという問題を解決できていない。なおこの特許１，２の内容において無線信号の形で外部に出力させ情報を得るという構想は、非特許文献１にあるようにすでに電波を用いた方法が考案されている。また従来の装置は大きく、その電力消費量も大きいという欠点を持っている。
特表２００２−５２５１５３
ＵＳ ６，４０２，６８９ Ｂ１
WG Scanlon, NE Evans, GC Crumley and ZM McCreesh Low-powerradio telemetry: the potential for remote patient monitoring. Journal ofTelemedicine and Telecare 1996; 2; 185-191
従来、この種の装置としては熱蛍光線量計(TLD)が用いられていた。これは素子に放射線が照射される事で結晶内の電子が励起され捕獲中心に移ると、加熱によって蛍光を発するもので、その蛍光量は吸収した放射線量に比例するため、この性質を放射線測定に利用したものである。しかし、この方法では、線量測定のためにいったん体外に出さなくてはならず、またリアルタイムに線量をモニターできないという欠点がある。また口腔内や膀胱、直腸といった臓器に電離箱式マイクロ線量計が用いられてきた。これは電離箱に放射線を照射すると、その線量率に比例した電離電流が発生することを利用して放射線量を測定するものである。しかしこの方法によると、ごく限られた臓器にのみ利用可能であり、無線形式ではないという問題がある。またさらに半導体を用いて腫瘍内に線量計を埋め込み、照射線量を無線信号の形で外部に出力させる体内埋め込み型線量計も開発された。特許文献１、２に開示された方法は体内埋め込み型半導体を用いて放射線量測定をするというものであるが、積算線量を計れるのみでありリアルタイムに放射線量をモニタリングするという問題を解決できていない。なおこの特許１，２の内容において無線信号の形で外部に出力させ情報を得るという構想は、非特許文献１にあるようにすでに電波を用いた方法が考案されている。また従来の装置は大きく、その電力消費量も大きいという欠点を持っている。
上記のように従来のマイクロ線量計の技術では、リアルタイムに照射装置から照射される人体への放射線量をモニタリングできないという問題があった。また電力部分の装置が大がかりになってしまうという欠点が発生する。
本発明は、放射線検出素子として半導体素子を用い小型化したマイクロ線量計を構成し、放射線の照射ターゲットとなる体内部分に当該マイクロ線量計を埋め込み、体外の離れた場所から非接触、無線形式、且つリアルタイムで体内部の放射線線量の計測が可能な体内埋め込み型放射線線量計を提供することを目的としている。
本発明は、放射線検出素子として半導体素子を用い小型化したマイクロ線量計を構成し、放射線の照射ターゲットとなる体内部分に当該マイクロ線量計を埋め込み、体外の離れた場所から非接触、無線形式、且つリアルタイムで体内部の放射線線量の計測が可能な体内埋め込み型放射線線量計を提供することを目的としている。
本発明によれば、体内埋め込み型リアルタイム式マイクロ線量計としてショットキ型CdTe(Cadmium Telluride)検出器, 電流電圧変換器, 電圧制御型増幅器, 発振器, コイルが一体化したマイクロ線量計、線量計からの情報を外部から受けるフラックスゲート磁束計、データ収集用パソコンから成る事を特徴とした体内埋め込み型リアルタイム式マイクロ線量計が得られる。これは放射線治療時の照射線量を体内でリアルタイムに計測することができ、信号の受け渡しを磁場で行うことが可能である。
本発明によれば、体内に埋め込まれた半導体素子に照射される放射線線量に対応した磁場を発生させそれを外部から測定するので、体外から非接触で且つ、離れた場所からリアルタイムで放射線線量をモニタリングできるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態による線量計１および磁場測定装置２の概略構成である。ここで１は線量計であり、半導体ダイオード検出器３と磁場発生回路４から構成される。半導体ダイオード検出器３は、Si、Ge、CdTe（テルル化カドミウム）、HgI２（ヨウ化第2水銀）、CｄZnTe（テルル化カドミウム化亜鉛）、GaAs（ガリウムヒ素）などの半導体結晶をPN接合等で整流作用をもつダイオード構造として、P型の面とN型の面に金属を電極として蒸着することで作製される。半導体結晶内への放射線が入射したとき、半導体結晶内部には放射線のエネルギーによって、放射線の付与したエネルギーに比例した数の電子および正孔が発生する。半導体結晶内に発生した電子および正孔は、寿命により電子正孔再結合を生じ消滅するまで、通常は電気伝導を示さない半導体結晶に電気伝導性をもたらす。半導体結晶のバルクの形状を直方体と仮定し、半導体結晶のバルクの向かい合う２面に電極を設けて電極間に電圧を印加した場合、その電極間を電子および正孔が電界によって移動して、電極間に電流が生じる。半導体ダイオード検出器３は空乏領域に電位勾配を持っており、入射した放射線のエネルギーによって空乏領域内で生じた放射線の付与したエネルギーに比例した数の電子および正孔はそれぞれ逆方向に移動するため、半導体ダイオード検出器３は電極間に電流を生じ、その電流値は放射線の付与したエネルギーに比例することになる。
図１は本発明の実施の形態による線量計１および磁場測定装置２の概略構成である。ここで１は線量計であり、半導体ダイオード検出器３と磁場発生回路４から構成される。半導体ダイオード検出器３は、Si、Ge、CdTe（テルル化カドミウム）、HgI２（ヨウ化第2水銀）、CｄZnTe（テルル化カドミウム化亜鉛）、GaAs（ガリウムヒ素）などの半導体結晶をPN接合等で整流作用をもつダイオード構造として、P型の面とN型の面に金属を電極として蒸着することで作製される。半導体結晶内への放射線が入射したとき、半導体結晶内部には放射線のエネルギーによって、放射線の付与したエネルギーに比例した数の電子および正孔が発生する。半導体結晶内に発生した電子および正孔は、寿命により電子正孔再結合を生じ消滅するまで、通常は電気伝導を示さない半導体結晶に電気伝導性をもたらす。半導体結晶のバルクの形状を直方体と仮定し、半導体結晶のバルクの向かい合う２面に電極を設けて電極間に電圧を印加した場合、その電極間を電子および正孔が電界によって移動して、電極間に電流が生じる。半導体ダイオード検出器３は空乏領域に電位勾配を持っており、入射した放射線のエネルギーによって空乏領域内で生じた放射線の付与したエネルギーに比例した数の電子および正孔はそれぞれ逆方向に移動するため、半導体ダイオード検出器３は電極間に電流を生じ、その電流値は放射線の付与したエネルギーに比例することになる。
磁場発生装置４は放射線の照射により半導体ダイオード検出器から発生した電流を入力としており、その入力に対応した信号磁場を発生する装置である。半導体ダイオード検出器３からの電流は、入射した放射線が半導体ダイオード３に付与したエネルギーに対して比例関係にあるため、磁場発生装置４の発生する磁場の強度は半導体ダイオード検出器３の電極間に生じた電流に比例したものとなる。
２は磁場測定装置であり、磁束計５とデータ収集・解析システム６から構成される。磁束計５は周囲の磁場強度の時間系列データを測定することが可能であり、測定した磁場強度を時間系列で電気信号として出力する。データ収集・解析システム６は磁束計５から出力された電気信号を入力とし、雑音磁場から信号磁場を抽出し、それをもとに信号磁場の強度をリアルタイムで解析する装置である。さらに、データ収集・解析システム６は、データ収集・解析システム６の内部に設けられている記憶媒体に測定した磁場の強度の離散化された時間系列データおよび信号磁場の時間系列データを保存する。
２は磁場測定装置であり、磁束計５とデータ収集・解析システム６から構成される。磁束計５は周囲の磁場強度の時間系列データを測定することが可能であり、測定した磁場強度を時間系列で電気信号として出力する。データ収集・解析システム６は磁束計５から出力された電気信号を入力とし、雑音磁場から信号磁場を抽出し、それをもとに信号磁場の強度をリアルタイムで解析する装置である。さらに、データ収集・解析システム６は、データ収集・解析システム６の内部に設けられている記憶媒体に測定した磁場の強度の離散化された時間系列データおよび信号磁場の時間系列データを保存する。
図２は本発明の実施の具体例である。なお、この具体例は本発明を特定するものではない。
７は体内埋め込み型線量計であり、ショットキ型CdTe検出器８と電流電圧変換器９と電圧制御型増幅器１０と発振器１１とコイル１２から構成されている。ショットキ型CdTe検出器８は直方体の形状をしたCdTe結晶の向かい合う２面の1面にインジウム、もう１面に白金を蒸着することで電極とし、CdTe結晶の蒸着面に生じる電気的な仕事関数によって整流作用を持ったダイオード構造を持った半導体ダイオード検出器である。ショットキ型CdTe検出器８は逆バイアス条件下で放射線検出器として動作する。放射線のスペクトロスコピーにはSi、Geなどの半導体結晶を使った放射線検出器が多用されている。X線やガンマ線などの光子に対する感度は半導体結晶内の原子と光子が相互作用を起こす確率によって決まり、相互作用起こす確率は半導体結晶の密度と半導体結晶の組成原子の原子番号が大きいほど高くなる。
７は体内埋め込み型線量計であり、ショットキ型CdTe検出器８と電流電圧変換器９と電圧制御型増幅器１０と発振器１１とコイル１２から構成されている。ショットキ型CdTe検出器８は直方体の形状をしたCdTe結晶の向かい合う２面の1面にインジウム、もう１面に白金を蒸着することで電極とし、CdTe結晶の蒸着面に生じる電気的な仕事関数によって整流作用を持ったダイオード構造を持った半導体ダイオード検出器である。ショットキ型CdTe検出器８は逆バイアス条件下で放射線検出器として動作する。放射線のスペクトロスコピーにはSi、Geなどの半導体結晶を使った放射線検出器が多用されている。X線やガンマ線などの光子に対する感度は半導体結晶内の原子と光子が相互作用を起こす確率によって決まり、相互作用起こす確率は半導体結晶の密度と半導体結晶の組成原子の原子番号が大きいほど高くなる。
CdTe結晶は、Si結晶やGe結晶より高密度であり、組成原子の原子番号も大きい。このため、CdTe検出器は高エネルギーの光子に対する感度がこれらの検出器よりも大きく、高エネルギーX線による治療時の線量測定に関して、同一の線量率を照射した場合でもSi検出器やGe検出器よりも多くの電子および正孔を発生する。
照射された放射線がショットキ型CdTe検出器に付与したエネルギーによって、ショットキ型CdTe検出器８の内部には付与されたエネルギーに比例した電子および正孔する。放射線によって付与されたエネルギーにより、ショットキ型CdTe検出器８の内部のダイオード構造であるために生じている空乏領域内で電子および正孔が発生すると、電子および正孔は空乏領域内の電界によって、互いに逆方向に移動し、ショットキ型CdTe検出器の電極間に電流を発生する。図３は４×４×０．５mmの大きさのショットキ型CdTe結晶に、1グレイ毎分から６グレイ毎分の線量率の放射線治療装置ライナックからのX線を照射した場合の、各照射線量率に対する電流の発生値であり、発生電流値は照射線量率に対して線形に近い相関を持つ。このため、ショットキ型CdTe検出器８の電極間に生じる電流を知ることによって、照射線量率を測定することが可能である。
電流電圧変換器９はショットキ型CdTe検出器８からの出力電流を電圧に変換して出力する。電流電圧変換器９の第1段目には電流増幅器が配置されており、ショットキ型CdTe検出器からの数１０nAの電流を増幅する。その後段に電流電圧変換回路が設けられており、電流増幅器からの出力電流を電圧に変換する。電流電圧変換回路からの出力電圧は電流電圧変換器９の最終段に設けられた１２ビットA/D変換器により離散化して、電圧制御型増幅器１０に出力される。
電圧制御型増幅器１０は電流電圧変換器９からの電圧と発振器１１からの交流信号を入力としており、交流電流を出力する。発振器１１は一定周波数の交流電圧信号を発振しており、電圧制御型増幅器１０は、発振器１１からの交流電圧信号と同一周波数の交流電流を出力する。電圧制御型増幅器１０の出力交流電流の振幅は、電流電圧変換器９から出力される離散化された１２ビットの電圧信号によって制御され、電流電圧変換器９から出力される電圧信号が０である場合の出力交流電流は０Aで、電流電圧変換器９から出力される電圧信号に比例して増大する。
このことにより、ショットキ型CdTe検出器８で発生した電流に対応した振幅をもつ交流電流がコイル１２に流れることになる。コイル１２はフェライトビーズの核に0.26mm径の電線を巻きつけて形成されており、電流が流れることにより信号磁場を発生する。
このことにより、ショットキ型CdTe検出器８で発生した電流に対応した振幅をもつ交流電流がコイル１２に流れることになる。コイル１２はフェライトビーズの核に0.26mm径の電線を巻きつけて形成されており、電流が流れることにより信号磁場を発生する。
１３は磁場測定解析装置であり、フラックスゲート磁束計１４とデータ収集用パソコン１５から構成される。
フラックスゲート磁束計１４は、磁束の検出部であって内部にX軸センサーとY軸センサーとZ軸センサーを含む3.89×3.89×5.51cmの直方体形の検出プローブと、本体から構成されており、プローブと本体はケーブルによって接続される。検出プローブにおける3軸方向の磁束密度の時間系列の情報は、ケーブルによって本体に送られ、その情報から各軸方向の磁束密度が算出される。フラックスゲート磁束計１４の本体リアパネルには磁束密度の情報を電圧信号として出力する３つのBNC端子が設置されており、磁場計測中連続的に各軸の磁束密度に比例したアナログの電圧信号を出力する。
フラックスゲート磁束計１４は、磁束の検出部であって内部にX軸センサーとY軸センサーとZ軸センサーを含む3.89×3.89×5.51cmの直方体形の検出プローブと、本体から構成されており、プローブと本体はケーブルによって接続される。検出プローブにおける3軸方向の磁束密度の時間系列の情報は、ケーブルによって本体に送られ、その情報から各軸方向の磁束密度が算出される。フラックスゲート磁束計１４の本体リアパネルには磁束密度の情報を電圧信号として出力する３つのBNC端子が設置されており、磁場計測中連続的に各軸の磁束密度に比例したアナログの電圧信号を出力する。
データ収集用パソコン１５にはADC（ＡＤコンバータ）ボードが取り付けられており、ADCボードはフラックスゲート磁束計１４の本体リアパネルのBNC端子からBNCケーブルを介してアナログ電圧信号を取り込んで、離散化を行う。ADCボードによって離散化されたデータはデータ収集用パソコン１５に取り込まれ、ファイルとして保存されると同時にデータの周波数解析を行い、雑音磁場の成分と信号磁場成分の分離が行われる。
図４ａは放射線治療を行う治療室において、磁場測定解析装置１３を用いて計測した雑音磁場信号を周波数解析したものであり、図４ｂから図４ｄは、同じく治療室において、コイル１２に８０Hzの交流電流を４０ｍＡから８０ｍＡまで流したときに、磁場測定解析装置１３により測定した磁場信号を周波数解析したスペクトルである。コイル１２に４０ｍA程度の交流電流が流したときに発生した信号磁場は雑音磁場から分離できている。
これらの雑音源は、フラックスゲート磁束計１４とデータ収集用パソコン１５の間にフィルタ回路を設けて、さらに、離散化したデータに対して周波数解析を行うことによりスペクトル上で2桁程度、影響を低減出来るため、より弱い信号磁場を雑音磁場から分離できることが可能になるため、コイル１２に出力する交流電流はより低減出来る。
これらの雑音源は、フラックスゲート磁束計１４とデータ収集用パソコン１５の間にフィルタ回路を設けて、さらに、離散化したデータに対して周波数解析を行うことによりスペクトル上で2桁程度、影響を低減出来るため、より弱い信号磁場を雑音磁場から分離できることが可能になるため、コイル１２に出力する交流電流はより低減出来る。
図５は、図２に示した構成装置の、放射線未照射時と放射線照射時における動作をしめしており、図５上段は発振器１１の出力信号であり、図５中段はショットキ型CdTe検出器への照射線量率であり、図５下段は電圧制御型増幅器の交流電流出力およびコイル１２の磁場出力である。図５の中央に記載された破線の左側は放射線未照射時であり、右側は放射線照射時である。図５上段の発振器１１の発振信号は常に一定の周波数と、振幅を保って発振している。図５中段において、時間軸上で左から中央の破線に達したときに一定の照射線量率で放射線照射がショットキ型CdTe検出器に行われた場合、ショットキ型CdTe検出器から流れる電流は、照射線量の時間系列と同様の変化を見せる。この電流値によって、図５下段の電圧制御型増幅器の交流電流出力の振幅が変調されて、変調された電流がコイル１２に流れることとなる。コイル１２によって発生する磁場は流れる電流に比例するので、変調の割合がショットキ型CdTe検出器の発生する電流で制御されている場合、測定される磁場は照射線量率に比例することになる。
線量計内の交流磁場から生まれる周波数は単一であり、複数の線量計が存在する場合に個々に固有の周波数を設定することもできる。このことにより数箇所を一度に測定する事が可能となる。又、この測定データを用いれば三次元的な線量分布を構築する事も可能である。又、上記実施例では電圧制御型増幅器１０での変調制御が振幅変調であるものを示したが、変調制御が周波数変調、パルス幅変調であっても同様の効果が得られる。又、上記実施例では、電流電圧変換器９および電圧制御型増幅器１０で構成されたものを示したが、この部分の機能を電流制御型増幅器で構成しても同様の効果を得られる。本発明はX線、電子線、重粒子線など放射線線種にかかわらず放射線線量測定に用いる事ができる。
本発明に係る体内埋め込み型リアルタイム式マイクロ線量計装置は、ライナック等の放射線治療装置の制御部分と連動させて過剰照射になれば治療装置からのエックス線発生を自動的にストップさせる事が可能である。またこの線量計はエックス線だけでなく、電子線、重粒子線などの種々の放射線線量も測定する事が出来るためライナックのみならず種々の放射線治療装置で利用することが可能である。
１ 線量計
２ 磁場測定装置
３ 半導体ダイオード検出器
４ 磁場発生回路
５ 磁場測定器
６ データ収集および解析装置
７ 体内埋め込み型線量計
８ ショットキ型CdTe検出器
９ 電流電圧変換器
１０ 電圧制御型増幅器
１１ 発振器
１２ コイル
１３ 磁場測定解析装置
１４ フラックスゲート磁束計
１５ データ収集用パソコン
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１５ データ収集用パソコン
Claims (1)
- 放射線線量検出用の半導体ダイオード検出器、電圧制御増幅変調回路、発振器、コイルから構成される、患者の生体内への体内埋め込み型放射線治療用リアルタイム式線量装置において、前記半導体ダイオード検出器に放射線が入射したことにより発生した信号により、前記発振器から出た信号を変調し、前記コイルに入力して磁場を発生させ、該磁場を磁束検出器により、前記放射線検出器に入射する放射線の照射線量率を、前記放射線検出器から離れた場所からリアルタイムで検出することを特徴とする体内埋め込み型リアルタイム式線量計装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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