JP6578282B2 - 放射線治療に関する放射線装置の粒子放射の飛程制御のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一のガンマ線粒子を検出可能である少なくとも１つの検出器および少なくとも１つの分析器を有する、即発ガンマ線の測定を用いることによる、放射線治療のための放射線装置の粒子放射の飛程制御のための方法及び装置に関する。

まとめて粒子線放射と呼ばれる、陽子または重イオンの高エネルギービームは、組織に入ると、停止距離の終端部において、エネルギーのほとんどを解放する。経路の終端部において、典型的には最大値である、いわゆるブラッグピークを有する、カバーされた距離からの阻止能の依存性は、周囲の健康な組織に対する副作用を最小限にして、悪性の組織の選択的な破壊を可能にする。そのため、粒子線放射は、特に腫瘍の治療に適している。しかしながら、組織内の粒子線放射の位置、特にその終端点、いわゆる遠位エッジは、健康な組織の不要な破壊を防ぐために、慎重に監視される必要がある。不完全なビーム飛程を有する放射線処置を、経時的に修正し、または停止することができるように、治療中に既にリアルタイムでこの監視が行われなければならない。一般に、治療のそのような監視は、組織を通過する際に粒子ビームによって引き起こされる、即発ガンマ線の測定によって、最も良好に実現することができると考えられる。このガンマ線は、ほとんど妨げられずに体を通過し、患者の近くにある適切な検出器で検出可能である。即発ガンマ線の放出点は、粒子の飛跡に沿って分布し、組織内で粒子ビームによって付与される線量分布に強く相関する。そのため、本技術の現状によれば、即発ガンマ線の画像ガイド測定のみが、リアルタイムに治療の望ましい監視を可能にすると想定される。

そのような即発ガンマ線の画像ガイド測定を実現することができるように、２つの一般的な概念が、本技術の現状に続く。これらは、特にH. Paganetti編、CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, 2012の書籍「Proton Therapy Physics」の第５１２ページから５１４ページに示されているように、一方では受動コリメータを有するシステム及び空間的分解能を有する検出器、他方ではコンプトンカメラの原理で動作する、コリメータを有しないシステムである。

コンプトンカメラは、コンプトン画像化の原理を利用することによって働く。ここで、ガンマ線粒子は、散乱検出器内で電子と散乱する（コンプトン散乱）。反跳電子は、散乱検出器内で信号を発生させ、これからガンマ線粒子のエネルギー損失を決定することができる。散乱されたガンマ線粒子は、散乱検出器を離れる可能性があり、ある確率で、１つまたは複数のさらなる検出器内で信号を発生させ、この場合これは内部で完全に吸収され、または再び散乱する。相互作用の場所が分かれば、単一の検出器内のエネルギー損失から、最初の散乱の発生前の、入射ガンマ線粒子の方向に関する結論を得ることができる。散乱されたガンマ線が最初にさらなる検出器の１つと相互作用する場合、散乱ガンマ線粒子は完全に吸収されると、評価は特に単純かつ正確である。多数のガンマ線粒子の測定は、適切なアルゴリズムを用いて、ガンマ線の発生源分布の再構築を可能にする。従って、コンプトンカメラは、ほとんどの場合異なる平面に配置された、空間分解能及びエネルギー分解能を有する少なくとも２つの検出器を含む。コンプトン画像化の原理から、システムの空間的分解能及びすなわち治療監視の正確性が、使用される検出器の空間的分解能とともにエネルギー分解能の両方に依存することが分かる。空間及びエネルギーにおける十分な分解能は、非常に品質の高い検出器および関連する複雑な電子機器によってのみ得ることができる。そのため、コンプトンカメラは非常に複雑かつ高価であり、実現が困難である。

コリメータを用いるシステムは、コンプトンカメラと比較してはるかに単純な装置構成を有する。これらは、１つまたは複数のコリメータ及び、コリメータの背後でガンマ線を検出する、空間分解能を有する検出器平面からなる。コリメータの遮蔽及び即発ガンマ線の吸収を評価すると、少なくとも部分的に、放射線の発生点に関する情報が得られる。これは、エネルギーの正確な測定がここでは必要でないように、単に検出器平面内のガンマ線の空間分布から得られる。この測定は、一般的には検出器に対する要求が実質的に低く、この時これは幅広い種類の利用可能な材料から選択される可能性があり、これはまた電子機器についてもあてはまる。しかしながら、十分な遮蔽を得るために、ＭｅＶのエネルギー範囲のガンマ線を弱めなければならないため、非常に大きなコリメータが必要になり、非常に重くなる。コリメータの厚さが、コードされたコリメータまたはマスクの構築のための障害となり、これは、ガンマ線源分布の２次元または３次元画像を生成するための核医学にも使用されうる。

すでに知られているシステムは、一般的に、即発ガンマ線の画像ガイド測定を目的としている。従来技術によれば、どのような場合でも、空間的分解能を有する単一の即発ガンマ線粒子の検出を必要とするので、画像ガイド測定は、単純かつ区画分けされていない検出器では不可能である。そのため、各システムは、複数のより小さな単一の検出器、区画分けされた検出器、または空間的分解能を有する検出器のいずれかからなり、これらは検出器内の相互作用の場所の測定を可能にする。全てのシステムに共通なのは、検出器内の相互作用のタイミングの測定である。一方では、このタイミング情報は、検出器の同時応答（同時発生）を特定するために使用される。これは、コンプトンカメラには必須である。他方では、ガンマ線粒子の検出と、パルス化放射装置の外の粒子バンチの周期的参照信号との間の時間差の測定が、粒子バンチと経時的に相関する即発ガンマ線と、測定を妨げ、悪化させる相関するバックグラウンドとの間の明確な分離を可能にする。これによって、バックグラウンドに対するピークの比が改善され、結果として画質も改善する。使用される検出器の時間的分解能は、少なくとも１ナノ秒または数ナノ秒の範囲内でなければならない。このタイミングは、ガンマ線粒子が画像ガイド検出器システム内で検出された事象の分類のためにのみ使用される。これは、画像化及び各装置に好適である、事象の選択のための補助的な因子である。時間分布内のいわゆる即発ピークの構造及び位置は、さらなる分析はされない。

測定原理によれば、入射ガンマ線粒子の一部のみが、画像化プロセスに使用可能であることは既知のシステムに共通である。コリメータを使用するシステムは、最大で、不要なバックグラウンドを発生させるため、コリメータに衝突するガンマ線粒子を使用することはできない。コンプトンカメラは、散乱検出器内でコンプトン散乱するものを正確に発見し、その後吸収体内で吸収されるガンマ線粒子の使用を修正するのみである。これらの選択基準は、ガンマ線粒子の数に対して使用可能な検出器への衝突の数を低減し、これは、全体として、通常少なくとも１桁の強度で検出システムに衝突する。治療間の制約を考慮すると、数秒の測定時間は画像を生成するのに十分でなく、十分な正確性を有する飛程制御を可能にするという仮定で働くことができる。治療時に短時間放射線にさらされる間に、十分な統計を有するそのような画像を、放射線の一部のプロセスに能動的に影響を与えることができるように、十分高速に得ることができない。

単一のガンマ線粒子を検出するための検出器は、特に、既知のシンチレーション検出器、チェレンコフ検出器またはいわゆる抵抗板チャンバー（ＲＰＣ）である。

シンチレーション検出器は、シンチレータ及び光検出器からなることが知られている。シンチレータは、無機材料からなる高速シンチレータまたはプラスチックもしくは有機液体シンチレータからなる高速有機シンチレータであってもよい。高速シンチレータは、確実に、シンチレーション検出器が十分に良好な時間的分解能を提供するようにする。

例えば、G. F. Knollによる、John Wiley & Sons, Inc.社の２０１０年に発行された書籍「Radiation Detection and Measurement」第４編の第７３３ページから７３５ページに記載のような既知のチェレンコフ検出器は、透明媒質に結合された光検出器からなるものであってよい。透明媒体は、好適には固体または液体であり、既知のシンチレーション無機結晶、ガラス、水、非シンチレーション有機材料または、短波長光子をより長波長の光子に変換する波長シフト性添加物を有する非シンチレーション有機材料であり、これらは、より高い効率を有する光検出器によって検出可能である。高速シンチレーション検出器としてチェレンコフ検出器でより良好な時間的分解能を得ることが可能である。

、G. F. Knollによる、John Wiley & Sons, Inc.社の２０１０年に発行された書籍「Radiation Detection and Measurement」第４編の第２０１ページから２０３ページに記載の抵抗平板チャンバー（ＲＰＣ）は、適切な伝導率を有する、気体で満たされたギャップによって分離された少なくとも２つの平板からなり、これらは電極の間で、高電圧に接続される。そのような種類の検出器は、特に良好な時間的分解能を示す。

本願請求項１から１４に記載された発明は、複雑さを実質的に単純化し、低減し、耐久性を向上し、治療、粒子治療の変更のための方法及び装置の監視に必要な測定時間を実質的に低減するという目的に基づく。

この問題は、独立請求項１及び９並びにさらに特定される請求項２から８及び１０から１４に記載された特徴によって解決される。

即発ガンマ線の測定によって放射線治療のための放射線装置における粒子放射線の飛程の制御をするための方法及び装置は、測定時間を大きく削減することとともに、特に、単純な、複雑さの低減及び耐久性の実現によって優れている。

このために、
−組織内の粒子ビームによって発生した即発ガンマ線の単一のガンマ線粒子が、少なくとも１つの好適な検出器によって検出される。
−事象として記述される、ガンマ線が検出されたときに検出器内で信号が発生し、検出器内にガンマ線が入射することによって発生した信号は、１０ナノ秒以下、特に１ナノ秒以下の時間不確定性で検出器にガンマ線粒子が到達することと対応する。
−検出器の信号を分析する分析器は、各イベントまたは選択されたイベントについて検出時間を割り当てる。
−放射線装置または別個の粒子検出器は、参照信号を提供し、これは、１０ナノ秒以下、特に１ナノ秒以下の時間不確定性で放射線装置の外の放射線装置からの単一粒子または粒子バンチの出現に対応する。
−時間は、各事象または分析器内で選択された事象のそれぞれについての参照信号から得られ、その時間で、さらに事象トリガー粒子または粒子バンチとして記述される、検出器によって検出されたガンマ線を作り出した粒子または粒子バンチは、放射線装置のビームの方向に対して垂直な参照平面を通過したものであり、参照平面は、好適には、放射線装置のビーム出口に対して垂直である。
−検出器内のガンマ線粒子の検出の時間と、事象トリガー粒子または粒子バンチによって参照平面を通過する時間との間の時間差は、分析器内で各事象または選択した事象について計算される。
−時間差の少なくとも１つの統計的分布は、好適には１０００回を超える事象から、さらには１００００回を超える事象から、分析器において得られ、これらはさらに時間分布と記述される。
−時間分布は分析され、粒子ビームの飛程についての情報がそれから得られ、装置で監視される治療の治療計画との一致性に関する報知を、主にその時間分布から得ることができる。

その目的のために、装置は、単一のガンマ線粒子を検出することができる少なくとも１つの検出器と、少なくとも１つの分析器と、を提供する。
−検出器は、さらに事象として記述されるガンマ線粒子の検出の際に、信号を発生する検出器であり、信号は、１０ナノ秒以下、好適には１ナノ秒以下の時間不確定性で検出器におけるガンマ線粒子の到達に相関する。
−検出器は分析器に接続され、分析器は、検出器からの信号を分析し、各事象または選択された事象をその検出の時間に割り当てる。
−分析器はさらに放射線装置または粒子検出器に接続され、放射線装置または粒子検出器は参照信号を提供し、この参照信号は、１０ナノ秒以下、特に１ナノ秒以下の時間不確定性で、放射線装置の外の放射線装置からの単一の粒子または粒子バンチの放出と相関する。

さらに、分析器は、
−さらに事象を設定する粒子または粒子バンチとして参照される、検出器で検出されるガンマ線粒子を生成した粒子または粒子バンチが、放射線装置のビームの方向に対して垂直な参照平面、好適には放射線装置のビーム出口に対して垂直な参照平面を通過した時間を、各事象または選択事象について参照信号から決定し、
−各事象または選択された事象について、検出器におけるガンマ線粒子の検出の時間と、事象を設定する粒子または粒子バンチによって参照平面を通過する時間との間の時間差を計算し、
−好適には１０００回を超える事象または１００００回を超える事象を含む、時間分布として参照される時間差の統計分布を少なくとも得て、時間分布を決定し、分析し、それによって粒子ビームの飛程についての情報を得る、分析器である。

その場合、この時間分布に主に基づいて、本装置で監視される治療の、照射計画との一致性に関する報知が、可能である。

粒子ビームで患者を治療する間、組織内で治療ビームによって生成される即発ガンマ線に割り当てることができないガンマ線も発生する。この隠れた放射線は、測定される効果に寄与しないが、治療の監視のために使用される時間分布をかく乱し、または偽りのものとする可能性がある。即発ガンマ線の特性は、高いエネルギー及び１ＭｅＶから８ＭｅＶの範囲の個別のエネルギーの好適な放出（放出直線）である。そのため、検出器によって測定されるすべての事象を使用するのではなく、即発ガンマ線に適した何らかの基準に従ってこれらの事象をフィルターすることが有利である。そのような選択（フィルタリング）は、例えば、強度に応じた検出器信号の追加的な分析によってなされてもよい。強度フィルターを用いると、検出器内で、２ＭｅＶから８ＭｅＶの間、または特に好適な３ＭｅＶから５ＭｅＶもしくは５ＭｅＶから７ＭｅＶの間のエネルギーを排除する、分析器内で事象をフィルターすることが可能になる。このとき、フィルター条件の適切な選択がなされると、時間分布は、選択された（フィルターされた）事象からのみ得られ、フィルターされていない事象の時間分布と比較してバックグラウンドの低減した即発ガンマ線の検出に関連する事象を主に含むこととなる。その他の基準は、信号形態の選択に基づくものであってもよい。これは、例えば、ガンマ線が、中性子放射も検出する液体有機シンチレータで検出される場合に利点である。いくつかの独立なフィルターを適用することによって、いくつかの時間分布が平行して生成され、別個に分析可能である。

原理的に、測定効果をひずませることなく、全ての事象の合計数から、任意にまたは規則的に時間分布を生成するために使用される事象を選択することが可能である。これは、例えば、検出器の計数率が、リアルタイムで分析器によって得られることができないほど高い場合に便利でありうる。そのような場合、それでも依然として、例えば、効率が低くそのため計数率が低いいくつかの別個の（より小さくより薄い）検出器と接続されうるいくつかの分析器を並列に使用することが可能である。

そのため、方法及び事象の実現は、腫瘍治療における粒子ビームの飛程制御のための新しい原理に基づく。これにより、その他の既知の概念のように、即発ガンマ線の特徴が使用される。可能な限り良好な解像度を有する相互作用の場所の測定に基づき、コンプトンカメラの場合には各装置の特定の検出器における即発ガンマ線の相互作用のエネルギーに基づく既知の概念とは対照的に、本発明による方法及び装置は、検出器内の各ガンマ線の相互作用の時間のみを主に評価する。具体的な利点は、本発明に従うそのような装置は、他の概念と比べて、電子的な努力が非常に低減するとともに、１つの単一の、単純な構成かつ安価な検出器ですでに実現可能であること、及び治療の監視の結果が、他の概念と比較して、実質的に測定時間を低減して提供可能であることである。ビームの方向に対して異なる角度の下で少なくとも２つの検出器を使用することで、これらの検出器の位置が、測定される時間分布に加えて考慮可能であるため、より洗練された評価も可能となる。

本方法及び装置は、治療に使用される高エネルギー粒子が、非常に素早く運動し、それでもなおターゲット体積に到達するまでに、原理的に測定可能なある限られた時間を必要とするという事実を利用する。計画通りに照射される物体内のより大きな飛程を有する粒子は、最大エネルギー損失（ブラッグピーク）の領域に到達するまでにより長い距離を移動する必要があり、そのため、遅れて到達し、そのため、計画に従う参照粒子よりも平均的に遅れて即発ガンマ線を引き起こす。反対に、即発ガンマ線は、より短い飛程の場合には、平均的により早く放出される。単純な推定は、例えば、１５０ＭｅＶの陽子が体への入射から完全に減速するまで約１から２ｎ秒（ナノ秒）を必要とし、１ｃｍの距離の差が約１００ｐ秒（ピコ秒）の範囲の時間差を引き起こすことを示している。そのような時間差は、一般に、従来の検出器で測定可能である。これらの検出器は、空間解像度を有する必要はなく、エネルギーの測定も必須ではない。好適な設定における単一の検出器であっても、時間測定に基づく治療ビームの飛程内のずれを検出するのに十分である。必須の条件は、そうでなければ任意に選択されうる、ビームの方向に対して垂直な、良好に画定された参照平面を通して治療粒子が通過することに関する正確なタイミング参照が存在することである。通常の放射線装置は、短いビームバンチを発生させ、加速周波数と正確に同期された高周波加速器であるため、この高周波はタイミング参照として使用されうる。そうでなくても、ビーム粒子が通過し、各ビームパケットまたは各単一のビーム粒子に相関したタイミング信号をもたらす特定の検出器からのタイミング参照を得ることが可能である。そのような検出器の例は、いわゆるビームホドスコープである。

本方法及び装置により、時間の統計分布及び、検出器内の即発ガンマ線粒子の検出と参照信号との間の差が決定され、これはガンマ線放射を引き起こした治療粒子または粒子バンチが参照平面を通過した時間を提供する。２つまたはそれ以上の検出器を用いる場合、これらの検出器の間の相対的な時間情報を決定し、さらに空間内のそれらの位置を考慮することも可能である。測定された分布は、以下のように時間分布として特定される。全ての事象または選択された事象のいずれかから決定することが可能である。本発明に従う方法及び装置では、計画された状況と比較した飛程内の移動は、主にこの時間分布から決定される。これは例えば、測定された時間分布から適切な積分パラメータを決定し、それらを参照の時間分布と比較することによって引き起こされうる。それとともに、数ミリメートル程度の飛程内の変化の感度が達成可能である。

積分パラメータの例は、
−分布の中心の位置、
−分布に適合した関数の最大値の位置、または
−例えば、分布の変動または分散によって表される分布幅、もしくは分布に適合した関数の最大値の半値幅によって表された分布幅、であってよい。

リアルタイムで測定と並列である、単一のスペクトルの積分パラメータの計算及びそれによる飛程の監視が、他の方法の画像の再構築についての複雑な計算の場合とは異なり、秒の一部で行われうる。測定原理が、偶然性、またはコリメータなどのような制限要件なく、「簡易測定」に基づくので、評価可能な治療粒子ごとの検出器事象の数は、検出器によってカバーされる立体角を考慮して、空間分布の測定に基づく即発ガンマ線の画像ガイド測定を伴う全ての既知の方法よりもはるかに高い。飛程監視のための十分な統計を有する時間分布は、数秒の範囲の治療条件下で、標準的な検出器で測定可能であり、または１秒でもあり得、飛程内のありうる欠陥が検出可能であり、治療（画分）の開始時に既に修正可能である。装置内で実現される測定方法は、臨床において容易に実現可能であり、臨床的プロセスに良好に統合可能である。

改善案によれば、分析器は、時間分布が検出器の信号に対する所定の基準に従って生成される事象を選択する。さらなる改善案によれば、基準は、検出器の信号の強度、増幅率及び／または形態である。

さらなる改善案によれば、分析器は、時間分布を分析し、それによって粒子ビームの飛程についての情報を得る分析器であって、装置によって監視されるべき治療の照射計画との一致性に関する報知がリアルタイムで与えられ、照射を継続、照射を中断、または放射線装置の設定を変更することによって照射を変更することが可能である。結果として、照射計画からの治療の可能性のあるずれに関する情報がより速く利用可能になり、リアルタイムで治療監視が可能になる。既に開始している治療の間、治療の開始後、好適には１０秒以下、特に２秒以下で、中断されまたは修正されることが可能である。

さらなる改善案によれば、飛程の測定は、好適には時間分布から得られる。さらなる改善案によれば、粒子ビームの一致性または実際の飛程に関する報知が、時間分布の積分パラメータから得られる。例えば、さらなる改善案によれば、時間分布の少なくとも１つの統計学的モーメントは、粒子照射の一致性または飛程を画定する。これらは例えば、重心及び／または時間分布の変動であってよい。

時間分布に対して所定の、アプローチ可能なまたは適合可能な関数によって記述される、少なくとも１つのフィッティングパラメータは、粒子照射の一致性または飛程を決定する。これは、例えば、時間分布のピークの位置、幅及び／または非対称性とすることができ、これは、例えばガウス関数またはピアソン関数などの好適な関数が適している。

治療が始まる前に、患者の場所における参照ターゲットが粒子ビーム内に存在する場合、特に有利であり、この参照ターゲットは、参照として少なくとも１つの時間分布を調査するために使用され、患者の照射の間、参照と時間分布との間の時間分布の比較は、粒子照射の飛程に関する報知を提供することができる。

より具体的な設定において、放射線装置は、ターゲットから放出された即発ガンマ線を検出するための、少なくとも第２のガンマ線検出器を含み、第２の検出器は、第１の検出器に対して、第１及び第２の検出器がビームの方向に対して異なる角度から放出された即発ガンマ線を検出するように配置される。そのため、装置は、第１のガンマ線検出器について第１の時間分布を得ることができ、第２のガンマ線検出器について第２の時間分布を得ることができ、それによって、第１の時間分布から第１の時間幅ΔＴ１を決定し、第２の時間分布から第２の時間幅ΔＴ２から決定し、第１の時間と第２の時間との間の時間差に等しい時間間隔に光速ｃを乗じた、光子の移動距離として定義される光子移動シフトΔＤＰを決定する。
ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃ

最後に、粒子ビームの飛程は、この光子移動シフトΔＤＰの、第１の検出器と第２の検出器との間の検出器位置の差との相関によって決定される。

侵入深さを決定するための１つの方法は、以下の方程式を解くことによって、ターゲット内の距離Ｒを計算する段階を含む。
ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２）
ここで、ΔＤＰは光子移動シフトであり、ｄ１は第１の検出器から入射点までの距離であり、入射点は、エネルギーを有する粒子ビームがターゲットに侵入する点として定義され、ｄ２は第２の検出器から入射点までの距離であり、αは、ビームの方向と、入射点から第１の検出器に向かって進む方向との間の角度であり、βは、ビームの方向と、入射点から第２の検出器に向かって進む方向との間の角度である。

好適には、第２のガンマ線検出器は、第１及び第２の検出器が、少なくとも２０°異なるビーム方向に対する角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、第１の検出器に対して配置される。従って、例えば、第１のガンマ線検出器は、ビーム方向に対して１００°以上の角度で放出される即発ガンマ線の測定に関して配置することができ、第２のガンマ線検出器は、ビームの方向に対して８０°以下で放出される即発ガンマ線の測定に関して配置することができる。

さらなる改善案によれば、単一のガンマ線粒子を検出することが可能な検出器は、少なくとも１つのシンチレータ及び少なくとも１つの光検出器を含むシンチレーション検出器、透明媒体に結合された少なくとも１つの光検出器を含むチェレンコフ検出器、または抵抗平板チャンバー（ＲＰＣ）であれば有利である。上述の検出器により、測定の目的に十分な、時間的分解能が達成可能である。

上述の方法の各段階を実施することができるように、本願請求項に記載の発明はさらに、ターゲットから放出される即発ガンマ線を検出するように構成され、第１の検出器に対して、第１及び第２の検出器がビーム方向に対して異なる角度から放出された即発ガンマ線粒子を検出するように配置され、分析器は、両方の検出器の時間分布を得られるように、両方の検出器について時間差Δｔ１及びΔｔ２を計算し、第１の時間差Δｔ１から第１の時間幅ΔＴ１を決定し、第２の時間差Δｔ２から第２の時間幅ΔＴ２を決定し、さらに第１の時間幅と第２の時間幅との間の差に等しい時間間隔で光子が移動する距離として定義される光子移動シフトΔＤＰを決定するように構成されたアルゴリズムを含む分析器を含み、
ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃ
である。

この場合、ｃは光速に等しく、光子移動シフトΔＤＰを第１の検出器と第２の検出器との間の検出器位置の差と相関させることによって、粒子ビーム侵入深さを決定する。

この装置は、好適には、以下の方程式を解くことによって、ターゲット内の距離Ｒを計算するように構成された計算手段を有する分析器を含む。
ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２）

この場合、ΔＤＰは、光子移動シフトであり、ｄ１は第１の検出器から入射点までの距離であり、入射点は、エネルギーを有する粒子ビームがターゲットに侵入する点として定義され、ｄ２は第２の検出器から入射点までの距離であり、αはビームの方向と、入射点から第１の検出器に向かって進む方向との間の角度であり、βは、ビームの方向と、入射点から第２の検出器に向かって進む方向との間の角度である。好適には、第２のガンマ線検出器は、第１及び第２のガンマ線検出器が、ビームの方向に対して少なくとも２０°異なる角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、第１のガンマ線検出器に対して配置される。最も好適な設定においては、第１のガンマ線検出器は、ビーム出口におけるビーム方向に対して１００°以上の角度で放出される即発ガンマ線を測定するように配置され、第２のガンマ線検出器は、ビーム出口におけるビーム方向に対して８０°以下の角度で放出される即発ガンマ線を測定するように配置される。

本発明の実施形態は、図面に一般的な形態で記述され、以下により厳密に記載される。

放射線治療で使用するための放射線装置の粒子放射の飛程の監視のための装置である。 粒子検出器を含む放射線装置を有する装置である。 治療中の装置である。 較正中の装置である。 いくつかの検出器を有する装置である。 ビーム源に関して２つの検出器を使用する装置の概略的な設定である。 例示的な即発ガンマ線放出及び検出プロファイルである。 キャビティがターゲット内に存在する場合における例示的な即発ガンマ線放出及び検出プロファイルである。 本発明に従う時間プロファイルの幅の差ΔＴ２−ΔＴ１である。 単一の検出器の設定と２つの検出器の設定との間の感度の差である。 様々な設定の構成についての、幅の差ΔＴ２−ΔＴ１である。

本発明に従う放射線治療において使用するための放射線装置の粒子放射線の飛程の監視のための方法及び装置が、これから説明される。

放射線治療のための放射線装置１の粒子放射線の飛程の監視のための装置は、主に放射線装置１と、単一のガンマ線粒子を検出することが可能な少なくとも１つの検出器２と、少なくとも１つの分析器７と、からなる。

図１は、一般的な設定における放射線治療で使用するための、放射線装置１の粒子放射線の飛程の監視のための装置を示す。

図１は、もっとも単純な設定の装置を概略的に示す。放射線装置１は、患者内５にパルス化された粒子ビーム３を送り込む。この他に、放射線装置１は、タイミング参照信号、バンチ信号ＢＳを生じさせ、これは正確にビームバンチに相関する。粒子ビーム３は、患者５の内部で即発ガンマ線放射４を発生させる。この放射４の一部は、好適には、粒子ビーム３から見て後方に配置される検出器２に衝突する。この検出器２は、ガンマ線粒子４が検出されると検出器信号ＤＳを発生させる。分析器７は、検出器信号ＤＳ及び相関するバンチ信号ＢＳを分析し、検出器２内のガンマ線粒子４の衝突及び開始粒子または粒子バンチが粒子ビーム３に対して垂直な参照平面を通過した時間点に対応する、時間ｔ２及びｔ１における点を得て、時間差ｔ＝ｔ２−ｔ１を計算し、全ての測定された時間差の時間分布６を生成する。患者５自身内とともに、参照平面から患者５までの粒子ビーム３の粒子の飛行経路が限定され、粒子経路に沿った放出場所から検出器２までのガンマ線粒子４の飛行時間が限定されているため、この分布は時間的に限定された大きさを有する。本明細書ではシンボル的にｔｃで表される時間平均６の平均（重心）、最頻時間差（最大値）または幅（散乱）などの、時間分布６の特徴的な積分パラメータは、十分な統計があれば、明確かつ非常に正確に決定可能である。これらの値ｔｃは、上述の議論に従って、粒子ビーム３の飛程を特徴づける。飛程が変化すればこれらは変化し、そのため、飛程を決定し、または治療の治療計画との一致性を監視するために使用される。飛程からのこれらのパラメータｔｃの関数的依存性は、参照分布から決定可能であり、この参照分布は、監視された設定の前に測定され、または放射線計画の枠組みにおける各シミュレーションソフトウェアの支援を受けたものである。

図２は、一般的な設定における粒子検出器８が追加された放射線装置１を有する装置を示している。

図２は、粒子パケットに関するタイミング参照信号ＢＳが放射線装置１から得られず、別個の粒子検出器８から得られる装置を示している。これは、粒子ビーム３内に、通常粒子ビーム３に対して垂直に配置され、放射線装置１の単一の粒子または粒子パケットの各通過において信号ＢＳを発生させ、この信号ＢＳは、粒子検出器８を通過する粒子と時間的に相関する。そして、時間分布６の生成は、図６の設定の場合に示されるような方法で行われる。

図３は、一般的な設定の治療の間の装置を示している。

図３は、患者内の粒子ビーム３２の現実の飛程が、放射線（粒子ビーム３１）の計画において予測された飛程よりも大きい場合の概略的な状況を示している。そのため、粒子ビーム３２の各ビームパケットは、完全に停止するまでに、計画されたよりも長い時間を必要とする。即発ガンマ線粒子４の放出は、平均的に、比例的に遅くなる。さらに、これらのガンマ線粒子４が検出器２まで移動しなければならない平均距離が増加する。その結果、測定された時間差分布６２は、量Δｔだけ計画された状態に対してシフトし、分布の形状、特にその幅が、ある限界内で変化する。その形態の変化に対して、シフトが、例えば、両方の分布の重心の決定及び比較によって定量化可能である。そのため、計画に従う分布の各点ｔ_ｃＰに対して、測定された分布の特徴点ｔ_ｃＭのシフトは、飛程の実際の変化に関する測定である。

検出器２の時間分解能が十分良好な場合には、例えば時間分布６の二次統計的モーメントまたは統計的変動を特徴とする分布の幅から、飛程についての情報を得ることも可能である。これは、即発ガンマ線放射の放出が、主に粒子バンチが患者に入るときに開始し、粒子バンチが完全に停止したときに終了するという事実の結果である。粒子バンチ３２は、減速プロセスに、粒子バンチ３１よりも長い時間が必要であるため、各時間分布６２は時間分布６１よりも幅が広い。

図４は、一般的な設定の較正における装置を示している。

この較正は、信号ＢＳ及びＤＳから得られる時間ｔ１及びｔ２が定量化が困難なオフセットの問題があるという事実に起因する問題を解決する。これらのオフセットは、使用される検出器２の特性、使用される分析器７までの信号ケーブルの長さ、患者５までのビームラインを含む加速器装置の実際の設定およびその他のパラメータに起因する。それでも、図３の表示に従う絶対参照値ｔ_ｃＰと比較することが可能な絶対値ｔ_ｃＭの決定は、いくつかの場合、例えば分布の重心または最大値の位置が臨界パラメータｔ_ｃとして使用される場合に、これらのオフセットについての知識または少なくともその差が必要である。

オフセットまたはその差の決定は、以下の場合に省略できる。
−患者５の照射及び参照ターゲット９の照射の両方が、照射計画において同一のビームパラメータでモデル化され、照射計画もまた、各時間分布６のモデリングを含む場合、
−「計画パラメータ」としての特徴的なパラメータｔ_ｃＲ及びｔ_ｃ並びにそれらの差Δｔ_Ｐ＝ｔ_ｃＲ−ｔ_ｃが、照射計画に従う（参照ターゲット９に関する）モデル化された時間分布６３及び（患者５に関する）モデル化された時間分布６２から決定され、
−患者５の放射線照射が始まる前に、患者５の放射線照射について計画される際に、時間分布６３が同一のビームパラメータで参照ターゲット９で測定され、
−その後、患者５が照射され、時間分布６２が照射の間測定され、
−特徴的なパラメータｔ_ｃＲ及びｔ_ｃ並びにその差Δｔ_Ｍ＝ｔ_ｃＲ−ｔ_ｃが、（参照ターゲット９の）測定された時間分布６３及び（患者５の）測定された時間分布６２から、「測定されたパラメータ」として決定され、
−各照射計画に対する照射の一致性及び照射の間の粒子ビーム３の飛程についての情報が、測定された差Δｔ_Ｍと計画された差Δｔ_ｐの比較から得られる場合。

図５は、一般的な表示のいくつかの検出器を有する設定を示す。

単一の検出器の代わりにいくつかの検出器を使用することは、いくつかの理由で有利となりうる。

第１に、本方法の精度は、検出器２、２１、２２、２３・・・の数を増加させることによって改善可能である。１つまたは複数の分析器７を使用することで、全体としてより多くの数の事象を有する、それぞれより多くの数の時間分布６の評価が可能になり、時間分布６に起因する結論の統計的不確定性が低減可能である。

第２に、複数の検出器の使用により、照射計画への治療の一致性についての結論の所定の統計的確実性に対応する、事象が所定の数に到達するまでの時間が低減可能である。このように、実行されている照射の継続、中止または修正についての判断までの時間が低減可能である。

第３に、複数の放射線装置１は、連続的ではなく、より大きな間隔で、非常に高い強度で同時にビームパケットを提供する。そのような放射線装置１の例は、シンクロサイクロトロンまたは、依然として開発中のレーザー駆動粒子加速器である。そのような場合、検出器２が、治療監視に必要な１秒間の事象の必要な平均数を検出するように、検出器２の寸法が決定されると、検出器２ごとの事象の数はその強度最大値において非常に高くなりうる。より小さくまたは薄い検出器２を使用する場合、検出器２ごとの負荷が低減可能である。治療監視に必要な、１秒ごとの事象（検出される即発ガンマ線粒子）の平均数は、多数の単一の検出器または検出器の区画の間に分布し、最大強度内の検出器２ごとの負荷は受容可能であり、測定はパルスパイルアップ及び同様の効果によって偽とならない。

最後に、２つまたはそれ以上の検出器の使用により、以下で説明されるようなデータのより洗練された評価が可能になる。

以下でさらに粒子ビームシステムとして特定される、粒子放射線の飛程の監視のための装置の発明と組み合わせた放射線装置が、概略的に図６に示されている。本発明に従う粒子ビームシステムは、エネルギーを有する粒子またはエネルギーを有する粒子のバンチを提供するための粒子ビーム源７０を含んでいる。これらのエネルギーを有する粒子またはエネルギーを有する粒子のバンチは、エネルギーを有する粒子ビーム１０を形成する。粒子ビーム源は例えば、サイクロトロン、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、線形加速器、またはエネルギー粒子ビームを提供するために粒子を加速する任意の種類の加速器を含むことができる。

粒子ビームは、荷電ハドロンビーム、例えば陽子ビームまたは炭素イオンビームであると理解される。ビームのエネルギーは、粒子の種類及びターゲット内に到達させるべき侵入深さに依存して変更可能である。例えば、陽子ビームの場合、エネルギーは５０ＭｅＶから３００ＭｅＶの間で変動可能である。

本発明に従う粒子ビームシステムおよび方法は、患者内の１つの粒子または粒子の１つのバンチの侵入深さを決定できるように、粒子治療のために使用可能である。粒子ビーム源は、粒子または粒子バンチを提供するための時間構造を有する。例えば、加速器がサイクロトロンである場合、粒子ビーム源はＲＦ加速器構造の周波数によって定義される時間構造を有する。例えば１００ＭＨｚのＲＦ周波数で動作するサイクロトロンは、１０ｎｓごとに粒子のバンチを提供することとなる。

粒子ビームシステムはさらに、エネルギーを有する粒子またはエネルギーを有する粒子のバンチを提供するための時間構造を表すタイミング参照信号を提供するように構成されたタイミングコントローラを含む。タイミング参照は、粒子バンチを繰り返し提供することを表す加速器のＲＦ構造から直接得られる信号とすることができる。

他の実施形態において、追加的なビームバンチャーが、粒子のバンチを提供するための時間構造を適合するために使用することができる。ビームバンチャーは、例えば、バンチの長さを最適化する。好適には、粒子のバンチの幅は２００ｐｓ（ピコ秒）より小さく、より好適にはバンチの幅は１００ｐｓ（ピコ秒）以下である。

代替的に、検出器が、ビーム粒子を遮断し、粒子が遮断されるごとにタイミング開始信号を発生させるために使用可能である。そのような検出器は、ホドスコープと呼ばれることがある。粒子と粒子を遮断し、開始信号を各粒子に関連付けることにより、粒子を提供するための時間構造を表すタイミング参照信号は、粒子ベースごとの粒子について得られる。

本発明に従う粒子ビームシステムはさらに、ターゲット２０を指すビーム方向６０に粒子または粒子バンチの方向を向ける、ビーム偏向手段８０を含む。そのような偏向手段は、例えば、ビームを輸送するためのビームライン及び粒子または粒子バンチをターゲットに届けるための走査磁石を含むことができる。提供手段は、ビームを異なる回転角からターゲットまで向けることができるように、ターゲットの周りに回転可能なガントリーを含むことができる。

粒子ビームシステムはさらに、ターゲットからの即発ガンマ線を検出するように構成された第１のガンマ線検出器４０と、ターゲットからの即発ガンマ線を検出するように構成された第２のガンマ線検出器５０と、を含む。第１の検出器および第２の検出器は、ビームの方向６０に対して異なる位置に配置される。第１及び第２の検出器は、第１及び第２の検出器が図６に示されるようにビーム方向に関して異なる角度で放出される即発ガンマ線を検出するように配向されるように配置される。

粒子ビームシステムはさらに、粒子または粒子バンチの提供から経過した時間の関数として測定された即発ガンマ線の数を示す時間プロファイルを得るために、タイミング参照信号に同期した即発ガンマ線の測定のためのデータ取得システム９０を含む。第１及び第２の検出器は、第１の検出器から第１の時間プロファイルを取得し、第２の検出器から第２の時間プロファイルを取得するように、データ取得システムに結合される。

本発明に従う粒子ビームシステムは、第１の時間プロファイルから第１の時間幅ΔＴ１を決定し、第２の時間プロファイルから第２の時間幅ΔＴ２を決定するように構成されたアルゴリズムを含むデータ分析器１００を含む。アルゴリズムはさらに、第１の時間幅と第２の時間幅との間の差に等しい時間間隔で、光子が移動した距離、すなわちΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃとして定義される光子移動シフトΔＤＰを決定するように構成され、ｃは光速に等しい。データ分析器１００のアルゴリズムはさらに、光子移動シフトΔＤＰを第１の検出器と第２の検出器との間の検出器位置の差と相関させることによって、ターゲット内の侵入深さを決定するように構成される。

相関において、第１の検出器と第２の検出器との間の検出器位置の差での光子移動シフトΔＤＰは、光子移動シフトが一方では即発ガンマ線がターゲットから第１及び第２の検出器まで移動しなければならない距離に依存し、他方では即発ガンマ線が放出された場所からターゲット内の最大深さに対応するターゲット内の距離Ｒに依存するものとして表すことができることが理解される。この距離Ｒは、例えば、ＧｕｅｔｈらのPhys. Med. Biol. 58 (2013)第４５６３項から４５７７項の図２（ａ）に示されるように、ターゲット内の粒子ビームの侵入深さに緊密に関連する。

組織ターゲット内の１２０ＭｅＶの陽子ビームのシミュレーションに対応する発明がさらに図７に示されている。この例では、第１の検出器はビーム方向に対して１８０°の角度で配置され、第２の検出器はビーム方向に対して０°の角度で配置された。第１の検出器は、ターゲットの前面（距離ゼロ）に置かれ、第２の検出器は、ターゲットの入口から１００ｃｍの距離に置かれた。上側のパネルＡは、ターゲット内の深さＤの関数として即発ガンマ線の相対数を示しており、深さはｍｍで表されている。それ以上即発ガンマ線が放出されない深さＲが図に示されている。中間のパネルＢは、ターゲットに入った後の時間の関数として、放出された即発ガンマ線の相対数を示している。この例において、中間パネルＢから分かるように、即発ガンマ線は、約１ｎｓ（１ナノ秒）の時間内に放出されている。この時間は、ターゲット内で全てのエネルギーを失って停止するまでに、粒子ビームがターゲット内を移動する時間に対応する。

図７の下側のパネルＣは、ターゲットに到達した粒子ビームの時間構造を表すタイミング参照信号に同期して即発ガンマ線を測定することによって、第１の検出器および第２の検出器で検出された時間プロファイルを示している。図から分かるように、２つの時間プロファイルΔＴ２及びΔＴ１の幅は異なる。この例において、下側のパネルＣ内の２つの時間プロファイルは、ターゲットから第２の検出器の大きな距離に起因して、経時的に明確に分離される。他の例において、第２の検出器もターゲットに非常に近接して配置することができ、この場合２つの時間プロファイルは重畳しうる。

光子移動シフトΔＤＰと、第１の検出器と第２の検出器との間の検出器の位置の差との間の相関は、図６に示される例示的な幾何配置から理解可能である。第１の検出器によって測定される第１の時間幅ΔＴ１は、ターゲットの入口において放出された、または即発ガンマ線が放出されたターゲット内の最大深さＲで放出された場合に即発ガンマ線光子が移動しなければならない時間の差である。図６に示された距離ｄ１、ｄ２、ｄ’１、ｄ’２並びに２つの角度α及びβを含む以下の幾何配置において、時間幅は以下のように表すことができる。
ΔＴ１＝ｄ１／ｃ−（Ｔｂｅａｍ＋ｄ’１／ｃ） （数式１）
ΔＴ２＝ｄ２／ｃ−（Ｔｂｅａｍ＋ｄ’２／ｃ） （数式２）

Ｔｂｅａｍは、エネルギーをすべて失って停止するまでに、粒子ビームがターゲット内を移動する時間である。これは、ターゲット内の粒子ビームの侵入深さである。前述したように、粒子ビームの侵入深さは、即発ガンマ線の放出の最大深さ位置Ｒに非常に緊密に関連する。数式（１）及び（２）において、ｃは光速であり、ｄ１は第１の検出器から入射点までの距離であり、ｄ２は第２の検出器から入射点までの距離である。入射点は、粒子ビームがターゲットに入る点として定義される。図６にさらに示されるように、ｄ’１が、即発ガンマ線が放出される最大深さＲと第１の検出器との間の距離であり、一方、ｄ’２は、最大深さＲと第２の検出器との間の距離である。ΔＴ２とΔＴ１との間の差を取ることにより、以下の数式を得る。
ΔＴ２−ΔＴ１＝（ｄ２／ｃ）−Ｔｂｅａｍ−（ｄ’２／ｃ）−（ｄ１／ｃ）＋Ｔｂｅａｍ＋（ｄ’１／ｃ）
または
ΔＴ２−ΔＴ１＝（ｄ２／ｃ）−（ｄ’２／ｃ）−（ｄ１／ｃ）＋（ｄ’１／ｃ）（数式３）

換言すれば、この時間差は、ターゲット内の粒子ビームの移動時間Ｔｂｅａｍとは無関係である。

前述のように、光子移動シフトΔＤＰは、以下のように定義可能である。
ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃ
または
ΔＤＰ＝ｄ２−ｄ’２−ｄ１＋ｄ’１ （数式４）

標準三角関数の法則に従い、以下のようになる。
ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２） （数式５）

前述のように、Ｒは即発ガンマ線が放出された場所からターゲット内の最大深さに対応するターゲット内の距離である。これは、本発明の装置及び方法で決定可能な、ターゲット内の不明の距離である。上述の数式（５）からＲを発見するために、発明者は、Ｒを発見するための数値的方法を用いた。

好適には、本発明に従うデータ分析器１００は、上で推定された数式（５）を解くことによって、ターゲット内のこの距離Ｒを計算するように構成された計算手段を含む。

幅ΔＴ１及び幅ΔＴ２は、様々な方法で決定することができる。例えば、時間プロファイルが曲線でフィット可能であり、プロファイルの開始点及び終了点が推定可能である。代替的に、幅は、平均ピーク値に対して所定の値を有する点であるとしてプロファイルの開始点及び終了点を定義し、例えば、５％レベルの点として開始点及び終了点を定義することによって定義することができる。

発明者は、ターゲット内の不均一性に関して本発明に従う粒子ビームシステムの堅牢性を調べた。例として、図８には、厚さ１０ｍｍの空隙が、ターゲットの深さ５０ｍｍに位置する不均一性の効果が示されている。上側のパネルＡには、ターゲット内の侵入深さの関数として発生した即発ガンマ線の数が示されている。図に示されるように、空隙の位置では、即発ガンマ線は発生しない。これは、ターゲットに入った後の時間の関数として、放出された即発ガンマ線の相対的な数をプロットした中間のパネルＢでも観察される。第２のパネルＢの放出プロファイルは、図７の放出プロファイルと比較してより長い放出プロファイルを示している。第３のパネルＣは、空隙が第１の時間プロファイル及び第２の時間プロファイルの形状における効果を有することを示している。

ターゲット内の不均一性の位置は、粒子ビームの深さを決定するための精度には何の影響も及ぼさないことを、発明者は発見した。これは調べられ、ΔＴ２−ΔＴ１が、１００ＭｅＶから１４０ＭｅＶのエネルギーを有する、プラスチックターゲット（より具体的にはＰＭＭＡ）内の陽子ビームについてプロットされた図９に示されている。３つの場合が評価され、同じ図９に結果がプロットされている。１）円形のプロットは、ターゲット内の１ｃｍの深さに位置する５ｍｍのキャビティが存在する状態に対応する。２）四角形のプロットは、ターゲット内の６ｃｍの深さに位置する５ｍｍのキャビティが存在する状態に対応する。３）三角形のプロットは、ターゲット内にキャビティが存在しない状態に対応する。これらの結果は、キャビティによる５ｍｍのシフトが明確に観察されるだけでなく、キャビティの位置に関して違いが存在しないことを示しており、本発明に従う粒子の深さを決定する方法は、堅牢であることを示している。

本発明に従う粒子ビームシステム及び方法の堅牢性は、追加的なシミュレーションを実行することによってさらに調査された。例示的なシミュレーションについて、１４０ＭｅＶの陽子ビームがプラスチックターゲット（ＰＭＭＡ）に送り込まれた。ビームは４０ｐｓ（ピコ秒）の持続時間のバンチを有するバンチビームとした。平均密度（１．１９ｇ／ｃｍ３の均一なターゲット（参照ターゲット）についての予測される粒子侵入深さは１２．１ｃｍである。飛程検証性の方法の堅牢性を調べるために、同じ５ｍｍ（ミリメートル）の粒子ビームの侵入深さのシフトを導入するように、４つの異なる修正がターゲットになされた。試験の目的は、本発明に従うシステムおよび方法が、飛程シフトを引き起こす性質に対して独立な侵入深さのそのようなシフトを測定することができることを示すことである。図１０に示されるように侵入深さの５ｍｍのシフトを導入するためにターゲットに対してなされたこれら４つの修正は、以下の通りである。Ａ）×印で示された、参照ターゲットと比較して０．０５ｇ／ｃｍ３だけ密度が全体的に少ないターゲット、すなわち、参照ターゲットとして１．１９ｇ／ｃｍ３ではなく１．１４ｇ／ｃｍ３の平均ターゲット密度を有するターゲットに関するもの、Ｂ）ひし形で示された、ターゲット内の１ｃｍの深さに位置する５ｍｍのキャビティを有するターゲットに関するもの、Ｃ）四角形で示された、ターゲット内の６ｃｍの深さに位置する５ｍｍのキャビティを有するターゲットに関するもの、Ｄ）三角形で示された、ターゲット内の１１ｃｍの深さに位置する５ｍｍのキャビティを有するターゲットに関するものである。４つのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの場合において、陽子侵入の深さは、参照ターゲットと比較して５ｍｍシフトすると予測される。この試験の目的は、侵入深さのそのような変動を検出するための感度を検証することであった。感度は、侵入の変化のｍｍごとに測定された時間信号の変動として定義される。

例示的な試験シミュレーションの結果は、図１０に示されている。この例示的なシミュレーションについて、ビームの方向に対して、第１の検出器は１８０°に配置され、第２の検出器は０°に配置された。本発明によれば、ΔＴ２−ΔＴ１の値が、参照ターゲットについて、及び４つの修正したターゲット（上述のように、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの場合）について得られたタイミングプロファイルについて決定された。本発明に従う検出方法の感度Ｓは、４つの修正されたターゲット（Ａ、Ｂ、ＣまたはＤ）について測定された第１の計算（ＡＴ２−ΔＴ１）及び、参照ターゲットについて決定された（ΔＴ２−ΔＴ１）を減算し、次いで第２の段階において、この時間の差を、予測された５ｍｍの侵入シフトで割ることによって得られる。ｍｍ（ミリメートル）あたりｐｓ（ピコ秒）で表されるこの感度Ｓは、図１０の右側に、「２Ｄ ΔＴ２−ΔＴ１」の座標位置でプロットされている。この例から分かるように、本発明に従う方法を用いた感度は、約６．５ｐｓ／ｍｍである。これは、１ｍｍの侵入深さの変動を検出するために、６．５ｐｓの時間差を測定しなければならないことを意味する。重要なのは、４つの場合Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄについて同じ感度が得られていること、すなわち、感度は侵入深さのシフトを引き起こした性質（例えば、全体的な密度変化、ターゲット内のキャビティなど）に対して独立であることである。

粒子侵入深さが、侵入深さのシフトを引き起こす性質に対して独立に検証されるという本発明のこの重要な利点を重視して、即発ガンマ線を測定するための検出器を１つだけ使用し、そのため即発ガンマ線時間プロファイルを１つだけ得るシステムおよび方法について追加的なシミュレーションが実行される。結果は図１０に示され、「１Ｄ ΔＴ」とラベルされた座標位置において、単一の検出器の感度の結果が示されている。この場合、感度は、第１の段階において、修正されたターゲット（上述の、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）について測定された幅ΔＴと、参照ターゲットについて決定された幅ΔＴの減算と、の間の差を決定し、次いで、第２の段階で、この時間における差を予測された５ｍｍの侵入シフトで割ることによって得られる。幅ΔＴは、前述の、ΔＴ１及びΔＴ２について行われたのと同じように（数式（１）または（２））、定義され、決定される。図１０に示されるように、４つの修正されたターゲットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの場合のそれぞれについて、４つの異なる感度の値Ｓが得られる。換言すれば、即発ガンマ線を検出するために１つの検出器のみを使用した場合、侵入深さの決定は、ターゲット構造の正確な知識を必要とする。例えば、ターゲット内にキャビティが存在する場合、キャビティがターゲット内のどこに位置するかを知る必要がある。

１つの検出器を使用する場合に観察されるこの感度の変動及び関連する時間プロファイルの理由は、数式（１）または（２）から理解することができ、この数式は、ΔＴがＴｂｅａｍ、すなわち粒子がターゲット内を移動しなければならない時間に依存することを示している。この粒子の移動時間は、ターゲットの構造に依存する。ターゲットに侵入すると粒子の速度が低下するので、移動時間は例えばキャビティがターゲットの遠位部または近位部に存在する場合に異なることとなる。本発明に従うシステム方法では、侵入深さは、Ｔｂｅａｍとは独立に時間差ΔＴ２−ΔＴ１から推定される。

代替的に、検出器を１つだけ使用する場合、幅ΔＴを決定する代わりに、時間プロファイルの平均値「ＡＴ」を決定することもできる。次いで、同様に、参照ターゲットについて得られる平均値ＡＴが、修正されたターゲット（前述のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）について得られた値と比較可能である。この手法の結果もまた、「１Ｄ ＡＴ」とラベルされた座標位置において図１０に示されている。図示されるように、この手法でも、侵入深さの変動を検出するための感度は、ターゲットの構造に依存する。

第１及び第２の検出器で２つのタイミングプロファイルを測定するためのタイミング設定および技術は、例えば粒子ビーム物理で使用され、またはＰＥＴ飛行時間測定で使用される標準的な飛行時間（ＴＯＦ）測定において現在使用されている技術を選択することができる（例えば、Schaartら著、Phys. Med. Biol. 55 (2010) N179-N189を参照）。第１のガンマ線検出器および第２のガンマ線検出器は、例えば、シンチレーション結晶及び光増倍器読出しを含む検出器などの、当業者に知られたガンマ線検出器とすることができる。

本発明の粒子ビームシステムでは、時間プロファイルは好適には１０ｎ秒以下の時間分解能で測定される。このようにして、時間プロファイルにおいて十分な統計（例えば、数１００から１０００カウント）を有する場合、ｐ秒（ピコ秒）の時間範囲の時間差が測定可能である。より好適には、時間プロファイルは、１ｎ秒以下の時間解像度で測定される。

第１及び第２の検出器の相対的な幾何形状がさらに説明され、図１１に示される。本発明によれば、第１及び第２の検出器は、ビーム方向に対して異なる角度に配置される。本発明の方法は、２つの検出器がビーム方向に対して異なる角度から放出される即発ガンマ線を測定する限りにおいて、２つの検出器のどんな位置にも適用可能である。図１１において、時間差ΔＴ２−ΔＴ１が、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅで示された異なる検出器の設定について、ターゲット内のビームの貫入深さＤの関数としてプロットされている。それぞれの検出器の設定は、ビーム方向と、ターゲットから第１及び第２の検出器それぞれへの方向との間の角度を画定する角度α及びβで定義される。各構成についての平均感度Ｓも、図１１にプロットされている。６．６７ｐ秒／ｍｍの最も高い感度が、２つの検出器が１８０°だけ隔てられたＡの場合に得られ、１．５３ｐ秒／ｍｍの最も低い感度が、２つの検出器が２０°の角度で隔てられたＥの場合に得られる。

好適には、本発明に係る粒子ビームシステムは、第１及び第２の検出器が少なくとも２０°だけ異なる角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、第１のガンマ線検出器４０に対して配置された第２の検出器５０を有する。即発ガンマ線の放出角度は、ビーム方向に対して定義される。

より好適には、第１のガンマ線検出器は、ビーム方向に対して１００°以上の角度で放出された即発ガンマ線を検出するように構成され、第２のガンマ線検出器は、ビーム方向に対して８０°以下の角度で放出された即発ガンマ線を検出するように構成される。

既に述べたように、本発明の第２の態様によれば、エネルギーを有する粒子ビームがターゲットに貫入する際に発生する即発ガンマ線を検出することによって、ターゲット内のエネルギーを有する粒子ビームの貫入深さを決定するための方法が提供される。既に述べたように、粒子ビームは粒子または粒子のバンチによって形成される。

図６に概略的に示されるように、ターゲットから放出された即発ガンマ線を検出するための第１のガンマ線検出器４０及び第２のガンマ線検出器５０が提供される。本発明に従う方法において、２つの即発ガンマ線検出器は、第１および第２の検出器が、ビーム方向に対して異なる角度で放出される即発ガンマ線を検出するように構成されるように、ターゲットに対して異なる位置に配置される。

さらに、エネルギーを有する粒子ビームの時間構造を表すタイミング参照信号が提供される。本発明の方法によれば、即発ガンマ線は、第１のタイミングプロファイルを得るように、タイミング参照信号と同期して、第１の検出器で測定される。同様に、第２の検出器において、即発ガンマ線が、第２のタイミングプロファイルを得るように、タイミング参照信号と同期して、第２の検出器で測定される。

本発明の方法によれば、第１の時間幅ΔＴ１は、第１のタイミングプロファイルから決定され、第２の時間幅ΔＴ２は第２のタイミングプロファイルから決定される。次の段階において、光子移動シフトΔＤＰが決定され、ここで、光子移動シフトは、第１及び第２の時間幅の間の差：ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃに等しい時間間隔における光子の移動した距離として定義され、ここで、ｃは光速に等しい。

最後に、本発明の方法によれば、貫入深さは、光子移動シフトΔＤＰを第１及び第２の検出器の間の検出器位置の差と相関させることによって決定される。

好適には、本発明の方法は、以下の方程式を解くことによって、ターゲット内の距離Ｒを計算するための計算段階を含む。
ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２）
ここで、ΔＤＰは、前述の光子移動シフトであり、ｄ１は第１の検出器から入射点までの距離であり、入射点は、エネルギーを有する粒子ビームがターゲットに侵入する点として定義され、ｄ２は第２の検出器から入射点までの距離であり、αはビーム方向と入射点から第１の検出器に向かう方向との間の角度であり、βは、ビーム方向と入射点から第２の検出器に向かう方向との間の角度である。

好適には、本発明に従う方法において、第２のガンマ線検出器５０は、第１及び第２の検出器が、少なくとも２０°だけ異なるビーム方向６０に対する角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、第１のガンマ線検出器４０に対して配置される。

より好適には、本発明に従う方法において、第１のガンマ線検出器４０は、ビーム方向に対して１００°以上の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置され、第２のガンマ線検出器はビーム方向に対して８０°以下の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置される。

１ 放射線装置
２ 検出器
３ 粒子ビーム
４ 即発ガンマ線放射
５ 患者
６ 時間分布
７ 分析器
８ 粒子検出器
９ 参照ターゲット
１０ 粒子ビーム
２０ ターゲット
２１、２２、２３ 検出器
３１ 粒子ビーム
３２ 粒子ビーム
４０ 第１のガンマ線検出器
５０ 第２のガンマ線検出器
６０ ビーム方向
６１ 時間分布
６２ 時間分布
６３ 時間分布
８０ ビーム偏向手段
１００ データ分析器

Claims (14)

1. 単一のガンマ線粒子（４）を検出することができる少なくとも１つの第１の検出器（２）及び少なくとも１つの分析器（７）を有する、放射線治療のための放射線装置（１）の粒子ビーム（３）の飛程の監視のための方法であって、
   以下で事象と表される、ガンマ線粒子（４）の検出の際に、信号が前記第１の検出器（２）内で生成され、前記信号が前記第１の検出器（２）内の前記ガンマ線粒子（４）の到達と時間的に相関し、
   前記第１の検出器（２）の前記信号を分析する前記分析器（７）が、全ての事象または選択された事象を検出時間に割り当て、
   前記放射線装置（１）または別個の粒子検出器（８）が、１０ｎ秒以下の時間不確定性を有する、前記放射線装置（１）から前記放射線装置（１）の外部への単一の粒子または粒子バンチの出現と相関する参照信号を提供し、
   以下で事象トリガー粒子または粒子バンチとして表される、前記第１の検出器（２）によって検出された前記ガンマ線粒子（４）を発生した粒子または粒子バンチが、前記放射線装置（１）のビームの方向に対して垂直な参照平面を通過した時間が、前記分析器（７）内の全事象または選択された事象について前記参照信号から得られ、
   前記第１の検出器（２）内の前記ガンマ線粒子（４）の検出の時間と、前記事象トリガー粒子または粒子バンチが前記参照平面を通過する時間との間の時間差が、前記分析器（７）内で、全事象または選択された事象について計算され、
   以下で時間分布（６）として表される前記時間差の少なくとも１つの統計的分布（６）が前記分析器（７）内で得られ、
   前記時間分布（６）が分析され、前記粒子ビーム（３）の飛程についての情報がそれから得られ、前記装置で監視される治療の、治療計画との一致性に関する報知を、主に前記時間分布（６）から得ることができることを特徴とする、方法。
2. 前記分析器（７）が、事象を選択し、前記時間分布（６）が、前記第１の検出器（２）の前記信号に対する所定の基準に従って前記事象から生成され、前記所定の基準が、好適には、前記第１の検出器（２）の時間信号の、
   −強度、
   −増幅率、及び／または
   −形状
   の群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記分析器（７）が、前記時間分布（６）を分析し、それによって、前記粒子ビーム（３）の飛程についての情報を得て、前記放射線装置によって監視される前記治療の、前記治療計画に対する一致性に関する報知がリアルタイムに得られ、前記報知が、好適には前記時間分布（６）の積分パラメータから得られることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの時間分布（６）が、前記治療の開始前に、前記粒子ビーム（３）における患者（５）の代わりに、少なくとも１つの参照ターゲット（９）を用いて、参照として決定され、前記粒子ビーム（３）の飛程に関する報知が、前記参照からの時間分布（６）と、患者（５）の照射の間の時間分布（６）とを比較することによって割り当てることができることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記放射線装置が、患者または参照ターゲットから放出された即発ガンマ線を検出するための少なくとも１つの第２のガンマ線検出器を含み、前記第１及び第２の検出器が、前記ビーム方向に対して異なる角度から放出された即発ガンマ線を検出し、前記第１のガンマ線検出器に関する第１の時間分布（６）を得、前記第２のガンマ線に関する第２の時間分布（６）を得、前記第１の時間分布から第１の時間幅ΔＴ１を決定し、前記第２の時間分布から第２の時間幅ΔＴ２を決定し、前記第１の時間幅と前記第２の時間幅との間の差に等しい時間間隔に光速ｃを乗じた、ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃで表される光子の移動距離として定義される光子移動シフトΔＤＰを決定し、前記光子移動シフトΔＤＰを前記第１及び第２の検出器の間の検出器位置の差と相関させることによって前記粒子ビームの飛程を決定するように、前記第２の検出器が前記第１の検出器に対して配置されたことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 貫入深さを決定する前記段階が、下記方程式を解くことによって前記患者または前記参照ターゲット内の距離Ｒを計算する段階を含み、前記方程式が、
   ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
   ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２）
   であり、
   ΔＤＰが、前記光子移動シフトであり、
   ｄ１が、前記第１の検出器から入射点までの距離であり、前記入射点が、エネルギーを有する粒子ビームが前記患者または前記参照ターゲットに入る点として定義され、
   ｄ２が、前記第２の検出器から前記入射点までの距離であり、
   αが、前記ビームの方向と、前記入射点から前記第１の検出器に向かう方向との間の角度であり、
   βが、前記ビームの方向と、前記入射点から前記第２の検出器に向かう方向との間の角度である、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１及び第２のガンマ線検出器が、少なくとも２０°だけ異なる前記ビーム方向（６）に対する角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、前記第２のガンマ線検出器が前記第１のガンマ線検出器に対して配置された、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記第１のガンマ線検出器が、前記ビーム方向に対して１００°以上の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置され、前記第２のガンマ線検出器が、前記ビーム方向に対して８０°以下の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置された、請求項５または６に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を用いて、放射線治療に関して、放射線装置（１）からの粒子ビーム（３）の飛程を監視するための、単一のガンマ線粒子を検出することができる少なくとも１つの第１の検出器（２）と、少なくとも１つの分析器（７）と、を有する装置であって、前記第１の検出器（２）が、以下で事象として表されるガンマ線粒子（４）の検出の際に、信号を発生する第１の検出器（２）であり、前記信号が、前記第１の検出器（２）におけるガンマ線粒子（４）の到達と相関し、前記第１の検出器（２）が、前記分析器（７）に接続され、前記分析器（７）が、前記第１の検出器（２）からの信号を分析して全事象または選択された事象を検出時間に割り当て、前記分析器（７）がさらに、前記放射線装置（１）または別個の粒子検出器（８）に接続され、前記放射線装置（１）または前記粒子検出器（８）が、前記放射線装置（１）から前記放射線装置（１）の外部に放出された単一の粒子または粒子バンチと相関する参照信号を提供し、
   前記分析器（７）が、
   −以下で事象設定粒子または粒子バンチとして表される、前記第１の検出器（２）において検出された前記ガンマ線粒子（４）を発生した粒子または粒子バンチが、前記放射線装置（１）から出る前記ビームに対して垂直である参照平面を通過した時間を、各事象または選択された事象について参照信号から決定し、
   −前記第１の検出器（２）内の前記ガンマ線粒子（４）の検出時間と、各事象または選択された事象に関して前記事象設定粒子または粒子バンチが前記参照平面を通過した時間との間の時間差Δｔ１を計算し、
   −以下で時間分布（６）として参照される時間差の少なくとも１つの統計的分布（６）を得、
   −前記時間分布（６）を決定し、分析し、それによって前記粒子ビーム（３）の飛程に関する情報を決定し、
   −前記装置によって監視される治療の、治療計画に対する一致性についての、主にこの時間分布（６）に基づく報知を可能にする分析器（７）である、装置。
10. 単一のガンマ線粒子（４）を検出することができる前記第１の検出器（２）が、
    少なくとも１つのシンチレータ及び少なくとも１つの光検出器を含むシンチレーション検出器（２）、
    透明媒質に結合された少なくとも１つの光検出器を含むチェレンコフ検出器（２）、または
    抵抗板チャンバー（ＲＰＣ）（２）であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記装置がさらに第２のガンマ線検出器を含み、前記第２のガンマ線検出器が、ターゲットから放出された即発ガンマ線を検出するように構成され、前記第１及び第２の検出器が前記ビーム方向に対して異なる角度から放出された即発ガンマ線粒子を検出するように、前記第２の検出器が前記第１の検出器に対して配置され、前記分析器が、両検出器について時間分布を得るように両検出器について時間差Δｔ１及びΔｔ２を計算し、前記第１の時間差Δｔ１から第１の時間幅ΔＴ１を決定し、前記第２の時間差Δｔ２から第２の時間幅ΔＴ２を決定するように構成されたアルゴリズムを含む分析器をさらに含み、第１及び第２の時間幅の差に等しい時間間隔で光子が移動する距離：ΔＤＰ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）＊ｃとして定義される光子移動シフトΔＤＰをｃが光速に等しいとしてさらに決定し、前記光子移動シフトΔＤＰを前記第１及び第２の検出器の間の検出器位置の差と相関させることによって粒子ビーム貫入深さを決定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 前記分析器が、以下の方程式を解くことによってターゲット内の距離Ｒを計算するように構成された計算手段を含み、前記方程式が、
    ΔＤＰ＝ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ１＊ｄ１−２＊Ｒ＊ｄ１＊ｃｏｓ（α））−
    ＳＱＲＴ（Ｒ＊Ｒ＋ｄ２＊ｄ２−２＊Ｒ＊ｄ２＊ｃｏｓ（β））−（ｄ１−ｄ２）
    であり、
    ΔＤＰが、前記光子移動シフトであり、
    ｄ１が、前記第１の検出器から入射点までの距離であり、前記入射点が、エネルギーを有する粒子ビームがターゲットに侵入する点として定義され、
    ｄ２が、前記第２の検出器から前記入射点までの距離であり、
    αが、前記ビームの方向と、前記入射点から前記第１の検出器に向かう方向との間の角度であり、βが、前記ビームの方向と、前記入射点から前記第２の検出器に向かう方向との間の角度であることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第１及び第２のガンマ線検出器が、少なくとも２０°異なるビーム方向に対する角度で放出された即発ガンマ線を検出するように、前記第２のガンマ線検出器が、前記第１のガンマ線検出器に対して配置された、請求項１１または１２に記載の装置。
14. 前記第１のガンマ線検出器が、前記ビーム方向に対して１００°以上の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置され、前記第２のガンマ線検出器が、前記ビーム方向に対して８０°以下の角度で放出された即発ガンマ線を測定するように配置された、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置。

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