JP4766407B2 - 放射線線量計および放射線線量計算プログラム - Google Patents

Description

本発明は、シンチレータを用いた電離放射線吸収線量の検出に関する。

電離放射線を測定する方法として、放射線治療の分野では一般的に電離箱が用いられている。電離箱は、微小体積に含まれる空気が放射線によって電離された際の電荷を数百ボルトの高電圧によって収集する測定装置であり、収集した電荷量によって吸収線量を評価している。

一方、吸収線量を測定する手段として、固体検出器を用いた方法も行われており、例えば、特許文献１には、シンチレータと光ファイバを組み合わせた検出器が示されている。この検出器では、シンチレータが放射線の電離作用によって発光し、かつ、発光量が電離量（吸収線量）と比例関係にあることを利用して、発光量を測定することにより吸収線量を評価している。なお、発光量の測定には光電子増倍管を用い、発光量を電流量に変換している。

また、シンチレータを用いた熱中性子束のカウントについては、特許文献２に示されている。

上述の特許文献１では、発光量を電流量に変換した際の電流量が極微小である場合には、（ｉ）発光量を増やす、（ｉｉ）電流変換後の増幅率を大きくする、（ｉｉｉ）高精度の電流計を用いる、などの対策が必要であった。

（ｉ）の発光量を増やすという対策は、シンチレータを大きくすることによって実現するが、シンチレータを大きくすると極微小領域の測定は不利となる。また、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）では、それぞれ高額な電気機器が必要となる。

ここで、特許文献１は特表２００４−５２６１５５号公報、特許文献２は国際公開ＷＯ２００５／００８２８７号公報である。

本発明に係る放射線線量計は、入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電気変換器と、この光電気変換器からの出力について、その強度が所定のしきい値以上のイベント数をカウントするカウンタと、このカウンタによるカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求める吸収線量算出部と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、上述のような吸収線量をコンピュータにより検出するためのプログラムおよびそのプログラムを記録した媒体に関する。

本発明では、電離放射線によってシンチレータ内部での光電効果による発光がほとんど生じないシンチレータからの発光が、所定のしきい値を超える発光強度に於いて生じるイベント数を計数することによって、吸収線量に変換している。従って、比較的小さなシンチレータを利用して、かつ比較的簡単な回路を利用して広範囲の電離放射線量を検出することができる。

実施形態に係る放射線線量計の構成を示す図である。 ＢＧＯシンチレーション検出器によるγ線のエネルギースペクトルを示す図である。 水中におけるＩｒ−１９２線源に対する極微小プラスチックシンチレータ（ＢＣ４９０）による波高分布スペクトルを示す図である。 水ファントム中Ｉｒ−１９２線源による吸収線量分布の測定結果を示す図である。 従来（Ａ）と実施形態（Ｂ）の検出方法の比較を示す図である。 他の実施形態の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る放射線線量計の一構成例を示す図である。この放射線線量計では、Ｘ線・γ線を用いた放射線治療における吸収線量を測定する。

シンチレータ１０は、例えばプラスチックシンチレータで構成され、Ｘ線、ガンマ線などの電離放射線を光に変換する。この実施形態においては、多量の光量を必要としないため、シンチレータ１０は小型に形成することが可能であり、例えば１ｍｍφ×０．１ｍｍ程度にできる。従来例では、１ｍｍφ×１０ｍｍのシンチレータを用いており、これに比べると大きさが１００分の１程度であり、測定における位置分解能は１００倍に向上する。また、シンチレータ１０を複数設ければ、複数位置における電離放射線量を検出することができる。

ここで、本実施形態においては、シンチレータ１０として、有機シンチレータ、特にプラスチックシンチレータを採用しており、電離放射線によって物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなく電離放射線を光に変換する。

なお、プラスチックシンチレータでなくても、軽元素を主成分とするシンチレータであれば、プラスチックシンチレータと同様に電離放射線によって物質内部での光電効果による発光はほとんど生じない。特に、軽元素を主成分とするシンチレータでは、発光減衰時間が１０ナノ秒以下のものが知られており、これを利用することによって、イベントの分離を確実に行い、正確なイベントのカウントを行うことができる。

さらに、一般式（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１ＮＨ_３）_２ＰｂＸ_４（Ｘはハロゲン、ｎ＝３〜１０）で表される、有機無機層状ペロブスカイト型化合物で形成されたシンチレータを利用することも可能である。この物質は、アルキルアミンからなる有機層をバリア層とし、ハロゲン化鉛からなる無機層を井戸層とする多重量子井戸構造を形成する。そして、この物質の井戸層に閉じ込められた励起子が放射線の照射によって発光する。また、中性子用のシンチレータとして中性子超高速シンチレータ材Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３：Ｃｅ^３＋も知られている。これらのシンチレータにおいても、プラスチックシンチレータと同様に、電離放射線によって物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなく電離放射線を光に変換することができる。

通常、無機シンチレータでγ線の測定を行うと、光電効果による大きな吸収エネルギーのピーク（（Ｉ）の領域）、コンプトン散乱による吸収（（ＩＩ）の領域）が存在する（図２参照）。図２は、ＢＧＯシンチレーション検出器によるＣｓ−１３７γ線（６６１．６ｋｅＶ）のエネルギースペクトルを示している。

有機シンチレータでは、無機シンチレータのような光電吸収によるエネルギーのピークを持たず、コンプトン散乱によるスペクトルのみになる。

また、シンチレータ１０を１０ｍｍφ×１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍφ×２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍφ×１ｍｍという極微小にすることにより、シンチレータ１０自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレータ１０から散逸する確率を上げることができる。その際、（Ｉ）の領域は直線的な分布ではなく、形状および大きさに依存した分布となる。その形状が微小球形の場合、電子とシンチレータ１０との相互作用断面積に依存した分布となるため、一般的に指数関数的な分布となり、指数関数的に変化する（ＩＩＩ）の領域とあわせて、電離放射線のカウントによる吸収線量の計算が可能になる。

特に、シンチレータのサイズを１ｍｍ^３以下に設定することによって、上述のように、物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなく、またシンチレータ自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレータ１０から散逸する確率を上げることができ、（Ｉ）の領域を指数関数的な分布に変えることができる。

シンチレータ１０には、シンチレータ１０において電離放射線から変換された光を伝達する光ファイバ１２が接続されている。この光ファイバ１２は、途中にコネクタを設け、光ファイバ１２を適宜着脱可能に接続することも好適である。これによって、シンチレータ１０を所望の箇所に設定することが容易となる。

光ファイバ１２は、光電子増倍管１４に接続される。この光電気変換器である光電子増倍管１４は、光ファイバ１２から供給される光（光信号）をその強度に応じた電気信号に変換する。光電子増倍管１４には、信号増幅器１６が接続されており、光電子増倍管１４からの電気信号を増幅する。

信号増幅器１６の出力は、ディスクリミネータ１８に入力される。このディスクリミネータ１８には、しきい値も入力されており、入力されてくる電気信号の中で、信号レベルがしきい値以上のものをイベントとして弁別する。ここで、ディスクリミネータ１８は、最終的に正しい吸収線量を検出するための電気信号を電気的なノイズから弁別することを目的としており、特定の電離放射線を入射した場合における高性能の電離箱による検出との比較などから決定するとよい。ディスクリミネータ１８は、コンパレータなどで構成することができる。

なお、本実施形態では、シンチレータ１０への吸収エネルギースペクトルが純粋な指数関数として表されると仮定しており、この仮定が成立すれば、しきい値はどのような値であっても誤差を生じない。しかしながら、現実には完全な指数関数ではないと思われ、しきい値を設けることによって、若干の誤差が発生すると考えられる。しきい値が高ければ高いほど、推測する範囲が大きくなり、結果として誤差が大きくなる可能性がある。一方、しきい値を小さくすれば、必要以上に多く計数することになるため、パルスが多すぎて計測装置が飽和状態となる可能性がある。従って、しきい値は、これらを考慮して適切な値に設定することが好ましい。

ディスクリミネータ１８の出力は、カウンタ２０に入力され、ディスクリミネータ１８によって弁別されたイベントがカウントされる。

そして、カウント２０によるカウント結果が、コンピュータ２２に入力され、ここでイベントのカウント値が吸収線量に変換され、吸収線量がディスプレイ２４に表示される。なお、コンピュータ２２は、プログラムを実行することによって、下記のような処理を行うものであり、そのプログラムは、直接コンピュータ２２内のハードディスクなどの記憶媒体に記憶して実行される。プログラムはコンピュータ２２に直接書き込んでもよいし、ＣＤなどに記憶されたものをロードしたり、通信回線を通じてコンピュータ２２に供給してもよい。

ここで、コンピュータ２２におけるイベントのカウント値から吸収線量の変換について説明する。

シンチレータ１０に付与されたエネルギーがＥ〜Ｅ＋ｄＥの時のイベント数をＣ_Ｓｃ（Ｅ）とすると、シンチレータ１０の吸収線量（エネルギー）は、エネルギーが０〜∞までのイベントのレベルに対しそのイベント数を乗算したものであり、

と表される。

極微小なプラスチックシンチレータのＩｒ−１９２γ線に対する発光イベントの波高スペクトル（波高チャンネル毎のカウント値）は、図３に示すように、ほぼ指数関数に近くなる。図においては、線源に対する距離を、３〜７ｃｍに１ｃｍ毎にずらして位置させた場合の結果を示してある。それぞれの結果において、発光イベントの信号レベル（Pulse height）が高いと、それにつれて発光イベントのカウント値が指数関数的に小さくなっている。なお、シンチレータ１０としては、プラスチックシンチレータＢＣ４９０（サンゴバンＣＤＪ社）を使用した。

従って、イベント数Ｃ_Ｓｃ（Ｅ）は、エネルギーレベルによって決定され、測定時間をΔｔとすると、

と近似できる。ここで、ａ，ｂは、図３の関係から定まる定数である。

このため、（１）式は（２）式を用いて、

と表現できる。

一方、エネルギーＥ_０以上の電子によるエネルギーの付与、すなわちシンチレータ１０の発光イベントの総数Ｃ_{ｔｏｔａｌ}は、（２）式のエネルギー毎のイベント数Ｃ_Ｓｃ（Ｅ）をエネルギーＥ_０以上のものについて積分したものであり、

と表される。

ここで、部分積分公式として、（５）式が知られている。

この（５）式において、ｆ（ｘ）＝ｘ，ｇ（ｘ）＝ｅｘｐ（−ｂｘ）とすると、（５）式は、

と書き直すことができ、（６）式に（３）式および（４）式を適用すると、

となる。

したがって、シンチレータ１０の吸収線量Ｄ_Ｓｃは、

と表される。

さらに、水吸収線量Ｄ_Ｗは、（１）式と（８）式から、

となる。

なお、（μ_ｅｎ／ρ）［ｍ^２・ｋｇ^−１］は、質量エネルギー転移係数であり、添え字Ｓｃはシンチレータ１０のものを示し、添え字Ｗは水のものを示す。すなわち、（９）式の右辺第１項によって、シンチレータ１０による吸収線量を水吸収線量に換算している。

ここで、

と定義すると、
水吸収線量Ｄ_Ｗは、

となる。従って、補正係数α，βを決定すれば、パルスカウント総数Ｃ_{ｔｏｔａｌ}および測定時間Δｔから水吸収線量Ｄ_Ｗを求めることができる。

次に、本実施形態の装置を用いて密封小線源治療用Ｉｒ−１９２線源を用いた水ファントム中での線源からの距離と吸収線量率（Dose rate［ｃＧｙ／ｍｉｎ］）の関係（吸収線量率分布）の測定結果を図４に示す。

なお、測定結果との比較には、輸送モンテカルロコードＭＣＮＰ−４Ｃを用いた。この図から分かるように、２桁以上の線量変化に対して、精度良く一致した測定結果が得られている。また、このように測定レンジが広いことは、本実施形態の特徴の一つでもある。

図５には、本実施形態の吸収線量測定と、従来の吸収線量の測定の比較を示してある。このように、従来技術では、吸収線量を積算して平均電流量として吸収線量を検出するが、本実施形態においては、しきい値以上のイベントの回数から吸収線量を求めている。このような手法によって、シンチレータ１０およびその処理回路については、比較的に簡単でありながら、高精度の検出が可能になる。

また、特許文献１でも述べられているように、本実施形態においても、チェレンコフ光による測定の影響が発生する。これについては、以下のような方法で、対策が可能である。

まず、シンチレータ１０として、緑色発光（約４９０ｎｍ）のプラスチックシンチレータを用いる。チェレンコフ光の波長スペクトルは、その強度によって赤色領域（６００ｎ
ｍ）付近まで広がり、青色領域（約４２０ｎｍ）でも十分な強度を有している。この性質を利用し、例えば４５５ｎｍを境に分離する分光ミラーによって光を分け、４５５ｎｍ以下の光と４５５ｎｍ以上の光が同時に計測されればチェレンコフ光と判定し、４５５ｎｍ以上の光のみが計測されればシグナルと判定する。そして、チェレンコフ光と判定された場合に、イベントから除外することで、容易にチェレンコフ光の影響を取り除くことができる。また、特許文献１のように、差分をとる方式ではないため、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が高いという利点もある。なお、この例では、緑色発光のシンチレータを前提としたが、青色発光のシンチレータでも同様の原理でチェレンコフ光が除去できる。

図６には、このための構成例を示してある。シンチレータ１０からの光は、光ファイバ１２を介し、分光ミラー３０に供給され、４５５ｎｍ以下の光と、４５５ｎｍの光に分離される。４５５ｎｍ以下の光は、光電子増倍管１４−１、信号増幅器１６−１，ディスクリミネータ１８−１によって、イベントが検出され、検出したイベントについてのシグナルが比較演算器３２に供給される。一方、４５５ｎｍ以上の光は、光電子増倍管１４−２、信号増幅器１６−２，ディスクリミネータ１８−２によって、イベントが検出され、検出したイベントについての信号が比較演算器３２に供給される。

ここで、比較演算器３２は、非同時計数回路（anti-coincidence）で構成される。すなわち、ディスクリミネータ１８−１、１８−２の両方から同じタイミングでシグナルが来た場合には、カウントシグナルを出さず、必要な信号だけが来た場合のみカウントシグナルを出力する。例えば、青色の発光シグナルＢと緑色の発光シグナルＧがあったとし、必要なのは発光シグナルＧと仮定する。Ｇシグナルだけが比較演算器３２に入り、Ｂシグナルが同時には入ってこなかった場合、比較演算器３２はカウントシグナルを出力する。また、Ｂシグナルだけが比較演算器に入り、Ｇシグナルが同時には入ってこなかった場合や、ＢシグナルとＧシグナルが同時に入力された場合には、比較演算器３２はカウントシグナルを出力しない。言い換えれば、比較演算器３２は、Ｂシグナルによって、ゲートが作られ、ＢシグナルがないときだけＧシグナルを通過させる。このようにして、比較演算器３２は、ディスクリミネータ１８−１、１８−２の両方から、供給されるシグナルに基づいて、チェレンコフ光のシグナルを削除してカウントシグナルを出力する。従って、比較演算器３２からのカウントシグナルをカウントするカウンタ２０においては、チェレンコフ光の影響を排除してカウントを行うことができる。

なお、分光ミラー３０において、分離された４５５ｎｍ以下の光と、４５５ｎｍ以上の光のレベルは必ずしも同一ではないため、ディスクリミネータ１８−１、１８−２におけるしきい値を異なるものとして、適切な判定を行えるようにすることが好適である。

このように、本実施形態においては、シンチレータ１０における発光量を光電子増倍管１４にて電流値（電圧値）に変換した後、ディスクリミネータ１８を用いてしきい発光量以上のイベントのみを弁別し、カウンタ２０で計数する。一般的に、光電子増倍管１４、ディスクリミネータ１８、カウンタ２０は安価であり、特許文献１のように高価な微少電流測定装置などが不要である。

さらに、本実施形態においては、シンチレータ１０の大きさは問題とはならず、小さい方が好ましい。すなわち、シンチレータ１０を小さくすることで、測定値についての解像度を向上できる。例えば、特許文献１では、１ｍｍφ×１０ｍｍのシンチレータを用いているが、本実施形態では、直径約１ｍｍの半球状シンチレータという、従来のものに比べ約３０分の１程度の極微小シンチレータを用いている。このため、測定による位置分解能も２０倍以上となる。従って、生体中でのγ線などの検出、測定が可能であり、従来はあいまいな推定でしか行えなかった放射線治療中の線量を正確に測定することができる。

さらに、上述のようにシンチレータ自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレータから散逸する確率を上げることにより、指数関数的な分布に変えることができ、正確な放射線量の検出が行える。

また、上述のように、機器構成を簡素化できるため、多数のシンチレータ１０を設け、多数位置の放射線吸収量を検出する多チャンネルの構成をとることも容易となる。

Claims (10)

1. 入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、
   このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電気変換器と、
   この光電気変換器からの出力について、その強度が所定のしきい値以上のイベント数をカウントするカウンタと、
   このカウンタによるカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求める吸収線量算出部と、
   を有する放射線線量計。
2. 請求項１に記載の放射線線量計において、
   前記シンチレータは、プラスチックシンチレータである放射線線量計。
3. 請求項１に記載の放射線線量計において、
   前記シンチレータは、軽元素を主成分とし、発光減衰時間が１０ナノ秒以下である放射線線量計。
4. 請求項１に記載の放射線線量計において、
   前記シンチレータは、体積が１ｍｍ³以下である放射線線量計。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の放射線線量計において、
   前記吸収線量算出部は、下記式に基づいて、シンチレータの吸収線量Ｄ_Scを算出する放射線線量計。
   Ｄ_Sc＝（Ｃ_total／ｂ）−（ａΔｔ／ｂ²）｛ｅｘｐ（−ｂＥ₀）−１｝
   ここで、ａ，ｂは定数、Ｃ_totalはイベントのカウント数、Δｔはイベントカウント時間、Ｅ₀は前記しきい値である。
6. 請求項１に記載の放射線線量計において、
   チェレンコフ光と、シンチレータによる発光を、複数の異なる波長における発光が同時にあるか、特定の１つの波長における発光のみがあるかの違いを利用して弁別して、計数することによってシンチレータ以外の発光を除去する放射線線量計。
7. コンピュータに、
   入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータからの出力である光を電流に変換した電気信号について、その強度が所定のしきい値以上のイベント数をカウントしたカウント値を受け入れさせ、
   受け入れたカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求めさせ、
   シンチレータの吸収線量を算出する放射線線量計算プログラム。
8. 請求項７に記載の放射線線量計算プログラムにおいて、
   前記指数関数的に減少するという関係は、下記式に基づいている放射線線量計算プログラム。
   Ｄ_Sc＝（Ｃ_total／ｂ）−（ａΔｔ／ｂ²）｛ｅｘｐ（−ｂＥ₀）−１｝
   ここで、ａ，ｂは定数、Ｃ_totalはイベントのカウント数、Δｔは測定時間、Ｅ₀は前記しきい値である。
9. コンピュータに、
   入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータからの出力である光を電流に変換した電気信号について、その強度が所定のしきい値以上のイベント数をカウントしたカウント値を受け入れさせ、
   受け入れたカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求めさせ、
   シンチレータの吸収線量を算出する放射線線量計算プログラムを記録した媒体。
10. 請求項９に記載の媒体において、
    前記指数関数的に減少するという関係は、下記式に基づいている放射線線量計算プログラムを記録した媒体。
    Ｄ_Sc＝（Ｃ_total／ｂ）−（ａΔｔ／ｂ²）｛ｅｘｐ（−ｂＥ₀）−１｝
    ここで、ａ，ｂは定数、Ｃ_totalはイベントのカウント数、Δｔは測定時間、Ｅ₀は前記しきい値である。

Images