JP5721135B2 - 粒子線モニタリング装置、粒子線モニタリングプログラム及び粒子線モニタリング方法 - Google Patents
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Description
エネルギー付与分布が事前に確認され、治療照射中はビーム等のモニタの変動が無ければ、そのエネルギー分布が再現され、維持されているものとして放射線治療が実施されている。エネルギー付与分布のリアルタイムモニタリング技術の実現は、病巣部位が確実に照射されていることを確認及び実証しながら治療することが可能となり、信頼性確保という観点から医学的にきわめて大きな意味を持つ。
マ線である陽電子消滅ガンマ線を観測し、照射位置を推定する手法が模索されている(以降、自己放射化法と呼ぶ)。しかし、陽電子放出核種の生成反応は、イオンと体内中の原子核との一次反応だけでなく、一次反応で発生した中性子による二次反応を経由して生成されるものも多く、全体として複雑多岐にわたる反応経路を経由している。そのため、発生量および生成場所を推定するためには、核反応を含めたモンテカルロシミュレーション
が必要になる。これにより、陽電子分布からエネルギー付与分布を再現することは、複雑な核反応を含むモンテカルロシミュレーションを遡る解析を要するという問題点を持つ。
きるが、核脱励起法では、発生するガンマ線は1本であるため、同様の装置は使用できない。体内物質を構成する原子核は水素、炭素、酸素などの軽い原子核であるため、核脱励起ガンマ線のエネルギーは数MeV以上の高いものに限られ、このような高エネルギーの単
一ガンマ線に対するイメージング装置が必要になる。これを満たす唯一の装置としてコンプトンカメラが提案されているが、高エネルギーガンマ線に対するコンプトンカメラの検出効率は、陽電子消滅によるガンマ線等の検出効率に比べて非常に低く、粒子線到達深度及びエネルギー付与分布を推測するのに十分なデータを測定するのは困難である。
本実施形態は、粒子線を照射体に照射した際に発生する制動輻射の観測による粒子線リアルタイムモニタリング手法である。本実施形態における制動輻射は、入射粒子線のエネルギーの一部を付与された電子から発生する制動輻射を指す。制動輻射は即発性である。また、制動輻射は、電磁相互作用により発生するため、原子核反応よりも反応確率が桁違いに大きい(およそ102〜105倍)。更に、制動輻射のもつ連続エネルギースペクトル(本発明の制動輻射の放射線情報に相当)は、粒子線のイオンエネルギーに強い相関を持つ。つまり、照射体の各位置における制動輻射を観測することによって、照射体中の粒子線のイオンエネルギーを求めることができる。したがって、本実施形態では、制動輻射を観察することにより、粒子線リアルタイムモニタリングが可能となる。
連続的に変化し、エネルギー付与も深度方向に広がりを持った分布となる。
<導出>
実施形態1では、モノクロビームにおける粒子線到達深度が測定される。制動輻射のエネルギースペクトルは、粒子線のイオンエネルギーに強い相関を持つ。具体的には、制動輻射の理論計算から、イオンエネルギーをEionとした場合、制動輻射のスペクトルには、図1に示されるように、最大エネルギーEmaxが存在し、最大エネルギーEmaxはイオンエネルギーEionに比例することが分かっている。図1は、制動輻射のスペクトル例であり、横軸は制動輻射のエネルギーであり、縦軸は準自由電子制動輻射の二重微分断面積(単位はbarn/(sr・keV))である。入射粒子のイオンエネルギーEionは290MeV/u、入射粒子はC-12とした。図1に示されるとおり、制動輻射には最大エネルギーEmaxが存在し、この例で
は、およそ160keVになる。
ω/2πが制動輻射のエネルギー、θがイオンの入射方向と、制動輻射の放出方向のなす角度である。eは素電荷、hはプランク定数、cは光速度、meは電子の質量を表す。σは全散乱断面積、Ωは立体角(dΩ=2πsinθdθ)、Trは準自由電子の最大エネルギーを表
す。
、制動輻射の強度に比例する二重微分断面積は、制動輻射のエネルギーhω/2π、イオ
ンエネルギーEion、制動輻射の放出角度θの3変数関数として表すことができる。つまり、制動輻射の強度は、二重微分断面積を介して、制動輻射のエネルギーhω/2πを変数
とする関数として表現することができる。なお、制動輻射の強度に比例する二重微分断面積は、制動輻射のエネルギーhω/2πの増加に対して単調減少する。
ギーEionは、[数8]で表現される。
につれて、イオンから放出される制動輻射の最大エネルギーEmaxは減少し、E2に近づく。これに伴い、エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強度、つまり、制動輻
射の単位時間あたりの放出個数は増加すると考えられる。なぜなら、制動輻射の強度に比例する二重微分断面積は、制動輻射のエネルギーhω/2πの増加に対して単調減少する
ため、制動輻射のエネルギーhω/2πの減少に対して、制動輻射の強度は増加すると考
えられるからである。
数が減少すると考えられるため、エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強
度は減少すると考えられる。このため、イオンから放出される制動輻射の最大エネルギーEmaxがE2である位置において、エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強度
は最大になると考えられる。
0になると考えられる。このため、イオンから放出される制動輻射の最大エネルギーEmaxがE1である位置以降において、エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強度
は0になると考えられる。
深度方向のエネルギー分布を取ると、図3のように、強度分布の傾きが変化する点(今後、屈曲点と呼ぶ)が2点現れることがわかる。図3は、[数1]と、体内中でのイオンエネルギーの導出式を用いて、深度方向の制動輻射の微分断面積(強度分布と比例関係にある値)を求めたグラフである。一つ目及び二つ目の屈曲点が現れる位置をxA及びxBで表すと、xA及びxBは、エネルギー範囲の上限値E2及び下限値E1を用いて、下記[数9]及び[数10]により一意に決定される。なお、図3におけるエネルギー範囲の上限値E2及び下限値E1はそれぞれ、E1 = 80keV、E2 = 100keVである。また、xA及びxBはそれぞれ、xA = −75mm、xB = −51mmである。xA及びxBはそれぞれ、ビームの進行方向を正とした飛程位
置を原点とする相対位置である。
それぞれ依存する。このため、これら4つの要素とxAもしくはxBとの関係を実験的に測定
することにより、精度よく飛程位置を求めることが可能である。つまり、[数9]及び[数10]の関係は、予め用意することが可能である。
動輻射の強度を測定することにより求められる。すなわち、エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強度が初めて0となる位置(屈曲点)が、制動輻射の最大エネル
ギーEmaxがE1となる照射体の位置である。そして、実験的に測定済みの[数10]の関係を用いて、E1から具体的なxBの値を求め、飛程の位置を求める。これにより、本実施形態1では、飛程位置、すなわち、モノクロビームにおける粒子線到達深度が求められる。
次に、本実施形態1に係る粒子線モニタリング装置について説明する。図4は、本実施形態1に係る粒子線モニタリング装置を例示する。図4に示されるとおり、検出部11及び演算部12を備える。なお、検出部11は、演算部12により制御可能な状態で接続している。
検出部11は、加速器3から入射した粒子線について、照射体2中において当該粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体2の位置関係に応じて検出する。制動輻射の放射線情報は、例えば、制動輻射によって発生するX線又はガンマ線のうちの少なくとも一方のエネルギースペクトルである。
える。
次に、演算部12について説明する。演算部12は、検出部11により検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を求める。図4に示されるとおり、演算部12は、ハードウェア構成として、バス23で接続される、記憶部21、制御部22、入出力部24等の既存のハードウェアを有している。
は複数のプロセッサであり、このプロセッサの処理に利用される周辺回路(ROM(Read
Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、インタフェース回路等)を有する。
されてもよい。
エネルギーE1からE2の範囲(E1 < E2)の制動輻射の強度が初めて0となる位置(屈曲点
)を求める。当該位置は、制動輻射の最大エネルギーEmaxが、記憶部21に格納されたプログラム等によりパラメタとして設定されたE1となる照射体の位置である。最後に、算出部31は、記憶部21に格納されたE1とxBの対応関係を用いて、E1から具体的なxBの値を求め、飛程の位置を求める。これにより、算出部31は、飛程位置、すなわち、モノクロ
ビームにおける粒子線到達深度を求める。
次に、本実施形態1の動作例について説明する。図7は、重粒子線を用いた脳下垂体腺腫の治療例を示す。本動作例では、本実施形態1の実現可能性を実証するために、このような図7で示される重粒子線を用いた脳下垂体腺腫の治療における条件を模して粒子線のリアルタイムモニタリングの動作例を示す。
線又はガンマ線と同程度であり、精度の良い測定が可能であるエネルギー範囲として一般的に知られているからである。
ら右)に進行する。縦軸は、制動輻射の強度(X線及びガンマ線カウント数)である。屈
曲点xBが飛程からおおよそ−2.7mmの相対位置に表れる。
マ線カウント数)の深さ方向依存性を測定した結果を示す。図10で予測された屈曲点が確認できる。屈曲点の位置を導出するために、バックグラウンドとなるデータ点(図11における○印)を、傾き0の直線でフィッティングし、残りのデータ点(図11における□印)を低次多項式関数でフィッティングし、得られた2本の線の交点が屈曲点となる。
フィッティング結果から屈曲点の位置xBを求めると、飛程からの相対位置が-2.2 mmとな
った。これは、理論値-2.7mmと0.5mmの誤差で一致している。つまり、実験的に飛程を0.5
mm程度の誤差で算出できたことになる。
次に、実施形態2について説明する。実施形態2では、SOPBビームにおける粒子線到達深度が測定される。
SOPBビームは、レンジシフターによりイオンのエネルギーが連続的分布を持つ。これにより、SOPBビームでは、低いエネルギーを持つイオンはより照射体の手前側で停止し、最大エネルギーを持つイオンが特徴点を形成する。実施形態1では、特徴点は、「制動輻射の強度(X線及びガンマ線のカウント数)の屈曲点」として現れたが、本実施形態2では
、特徴点は、「制動輻射の強度(X線及びガンマ線のカウント数)の一階微分の屈曲点」
として観測される。その理由は、以下による。
エネルギーを持つモノクロビームから放出される制動輻射の強度の和(積分)であると考えられる。エネルギーが異なるモノクロビームが放出する制動輻射の強度の分布は、最大エネルギーを持つモノクロビームが放出する制動輻射の強度分布(例えば、図10)を左方向に平行移動した形で表される。このため、SOBPビームにおける制動輻射の強度は、最大エネルギーにおけるモノクロビームの場合の強度分布(例えば、図10)を、左方向に
平行移動させながら重畳した形になる。
は定数である。
線のカウント数)の一階微分の屈曲点」として観測される。屈曲点の位置xBは、実施形態1の場合([数10])と同様に[数16]で表される。
実施形態2における粒子線モニタリング装置の構成例は、図4に示される、実施形態1の装置構成例と同様である。ただし、実施形態2における算出部31は、図9のS1002において制動輻射の強度を求める代わりに、制動輻射の強度の一階微分を求める。
。縦軸は制動輻射の強度(X線及びガンマ線カウント数)である。
がって、本実施形態2においても、当該屈曲点を測定することにより、粒子線到達深度をモニタリングすることができる。
次に、実施形態3について説明する。実施形態3では、モノクロビームにおけるエネルギー付与分布が測定される。
「制動輻射の強度」は「体内物質密度」に比例する。ただし、その比例係数は、粒子線のイオンエネルギーによって異なる。当該比例係数は、制動輻射理論断面積から求めることができる。また、当該比例係数は、事前実験によって測定することができる。これにより、「制動輻射の強度」から「体内物質密度」を容易に導出することができる。
次に、本実施形態3に係る粒子線モニタリング装置の構成は、図4に示される、実施形態1の装置構成例と同様である。
付与のデータテーブル、つまり、「体内物質密度」とエネルギー付与との間の比例係数の情報を格納する。
次に、本実施形態3の動作例について説明する。図13は、本動作例における、粒子線の照射に伴い飛程付近から発生する制動輻射のエネルギースペクトルを測定する検出器111の例を示す。照射するモノクロビームとして、実施形態1の動作例と同様、エネルギーが290MeV/u程度の炭素モノクロビームを用いた。
し、間隙(空気)からはほとんど制動輻射は発生しないと考えられる。このため、このような関係のエネルギー付与分布が求められることにより、本実施形態3による手法によってエネルギー付与分布が算出可能であることが示される。
り、制動輻射の強度を算出する(S2002)。本動作例では、30KeVから60KeVの範囲の積分値を制動輻射の強度とした。
を用いたことが要因となり、精度のよい検出結果は得られなかった。
補足として、本実施形態3のエネルギー付与分布の測定手法を用いた粒子線治療方法例について説明する。
最後に、実施形態4について説明する。実施形態4では、SOBPビームにおけるエネルギー付与分布が測定される。
実施形態2で述べたとおり、SOBPビームは、連続的に広がるイオンエネルギーを持つため、制動輻射もそれぞれのイオンエネルギーについて重畳したものになる。そして、入射粒子のイオンエネルギーが高いほど、制動輻射の最大エネルギーは高くなり、制動輻射の強度も大きくなる。したがって、制動輻射のエネルギースペクトル分布は、入射粒子の中で最大のエネルギーを持つイオンにより支配的な影響を受ける。つまりSOBPビームを入射した際に放出される制動輻射は、モノクロビームを入射した場合とほぼ同じであるため、実施形態3とまったく同一の方法で、エネルギー付与分布を求めることができる。
以上までの実施形態1から4に係る粒子線モニタリング装置は、従来、バックグラウンドとして利用されなかった制動輻射を用いることにより、モノクロビーム又はSOBPビームの粒子線到達深度又はエネルギー付与分布を算出する。つまり、本実施形態に係る粒子線モニタリング装置は、制動輻射を用いることにより、線量推定を行う。
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈される。また、当業者は、上記本実施形態
の記載から、特許請求の範囲の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができる。また、本明細書において使用される用語は、特に言及しない限り、当該分野で通常用いられる意味で用いられる。したがって、他に定義されない限り、本明細書中で使用される全ての専門用語および技術用語は、本発明の属する分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。両者が矛盾する場合、本明細書において使用される用語は、本明細書(定義を含めて)に記載された意味において理解される。
2 照射体
3 加速器
11 検出部
111 検出器
112 電荷有感型増幅器
113 整形増幅器
114 アナログデジタル変換器
120 コリメータ
121 駆動機構
12 演算部
21 記憶部
22 制御部
23 バス
24 入出力部
31 算出部
Claims (6)
- 照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出する検出部と、
前記検出部により検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出する算出部と、
を備えたことを特徴とする粒子線モニタリング装置。 - 前記粒子線の挙動に関する情報は、前記粒子線の到達深度であることを特徴とする請求項1に記載の粒子線モニタリング装置。
- 前記粒子線の挙動に関する情報は、前記粒子線のエネルギー付与分布であることを特徴とする請求項1に記載の粒子線モニタリング装置。
- 前記粒子線は、入射エネルギーが単一であるモノクロビーム、又は、拡大ブラッグピークビームであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の粒子線モニタリング装置。
- コンピュータに、
照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出するステップと、
前記検出するステップにより検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出するステップと、
を実行させるための粒子線モニタリングプログラム。 - コンピュータが
照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出するステップと、
前記検出するステップにより検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出するステップと、
を実行することを特徴とする粒子線モニタリング方法。
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