WO2017158743A1 - 線量率測定装置及び放射線治療装置 - Google Patents

線量率測定装置及び放射線治療装置 Download PDF

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dose rate
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rate measuring
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上野　雄一郎
田所　孝広
名雲　靖
修一 畠山
耕一 岡田
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株式会社日立製作所
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry

Definitions

  • the present invention relates to a dose rate measuring apparatus and a radiotherapy apparatus.
  • Radiation used for treatment includes X-rays, electron beams, proton beams, heavy particle beams, and neutron beams.
  • Proton beams and heavy particle beams are less invasive because they can concentrate doses to the cancer area by using the property of giving dose energy (black peak) by intensively applying energy just before stopping.
  • High-precision treatment can be expected.
  • IMRT, IGRT, etc. have also been developed for X-ray treatment, and efforts are being made to concentrate the dose rate on the cancerous part.
  • radiotherapy devices there is a need to improve the overall accuracy of radiation therapy, from the accuracy of treatment planning to the accuracy of patient positioning, to the measurement of dose rates for QA of treatment plans and devices.
  • Ionization chambers with good stability and reproducibility are widely used for dose rate measurement in radiotherapy.
  • the ionization chamber is limited in size because of its detection principle, and dose distribution measurement using a semiconductor detector that is relatively easy to miniaturize is performed instead.
  • a signal processing system is included, there is a limit to downsizing even a semiconductor detector. Further, these detectors need to apply a high voltage for measurement, and it is difficult to measure the dose rate by inserting them into the body.
  • these detectors are generally high-density, and have a greater interaction with radiation compared to body substances and water, and the influence of the detectors cannot be ignored.
  • a method having a radiation emitting element and an optical fiber is promising, and the following techniques are known.
  • the radiation monitor disclosed in Patent Document 1 uses a scintillation fiber 2 that emits fluorescence as a radiation detector, and is fused with a light transmission fiber 3 made of the same material as that of the scintillation fiber 2 for transmitting fluorescence. Then, the integrated light is connected to the light detection unit 4 that converts the transmitted light into an electric pulse signal, and the light emitted from the scintillation fiber 2 is detected by the light detection unit 4, and the signal is amplified by the preamplifier 5. It is configured to be measured by the measuring device 6 that counts the electric pulse signal, and this measurement result is displayed on the display device 7. ”A dosimeter is inserted into the body, and the absorbed dose in the vicinity of the cancer lesion. The purpose is to measure accurately.
  • a scintillation fiber is used as a radiation emitting element.
  • an elastic body is desirable in consideration of invasiveness when inserted into the body, and radiation emission is performed so as to correspond to various shapes in the body. It is preferable that the element can be processed.
  • the radiation monitor according to Patent Document 2 says, “When receiving radiation, it emits fluorescence, and the scintillation fiber 11 having flexibility is used as a radiation detection unit.
  • the light is transmitted by the optical fiber 4 at the subsequent stage, and further input to the photoelectric conversion apparatus 2 at the subsequent stage.
  • the photoelectric conversion apparatus 2 converts the light into an electrical signal, and the electric signal is input to the arithmetic unit 3 at the subsequent stage.
  • the calculation device 3 calculates the dose rate of the radiation incident on the detection unit from the electrical signal, and displays the numerical value on the display device 10.
  • It is fine by using a flexible scintillation fiber. The purpose is to measure the local dose rate.
  • Patent Document 2 since a scintillation fiber having flexibility is used as a radiation emitting element, invasiveness during insertion into the body is reduced. However, there is a problem that measurement accuracy is low because it does not inherently have a wide dynamic range from low dose to high dose.
  • the dose rate meter In order to measure the dose rate in the body, as described above, the dose rate meter needs to be small and less invasive. Furthermore, the shape of the organ is complicated, has individual differences, and changes over time. Correspondingly, it is necessary to perform reproducible measurement.
  • an object of the present invention is to provide a dose rate measuring apparatus and a radiotherapy apparatus having a sensor portion that is small and less invasive, has a complicated and solid difference shape of an organ, and can cope with changes over time. That is.
  • a dosimetry apparatus includes a light emitting unit made of polycrystalline radiation emitting material that generates light having an intensity depending on an incident radiation dose, and a cover that covers the light emitting unit.
  • a radiation sensor an optical fiber that is connected to the radiation sensor and transmits photons emitted from the polycrystalline radiation emitting material, a photoelectric converter that converts the photons transmitted by the optical fiber into electrical signals, one by one
  • An arithmetic device that measures each of the photons of the photons converted by the photoelectric converter, calculates a count rate and specifies a dose rate, and a display device that displays a measurement result calculated by the arithmetic device It is characterized by having.
  • an object of the present invention is to provide a dose rate measuring apparatus and a radiotherapy apparatus having a sensor portion that is small and less invasive, has a complicated and solid difference shape of an organ, and that can cope with changes over time. Can be provided.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a dose rate measuring apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing of the radiation sensor of the dose rate measuring apparatus which concerns on Example 1.
  • FIG. It is a related figure of the dose rate which concerns on Example 1, and a photon count rate.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a photon (light) generation process by radiation incident on a light emitting unit according to the first embodiment. It is sectional drawing of the radiation sensor of the dose rate measuring apparatus which concerns on Example 2.
  • FIG. It is sectional drawing of the radiation sensor of the dose rate measuring apparatus which concerns on Example 3.
  • FIG. It is sectional drawing of the radiation sensor of the dose rate measuring apparatus which concerns on Example 4.
  • FIG. It is a block diagram of the dose rate measuring apparatus which concerns on Example 5.
  • FIG. It is a block diagram of the radiotherapy apparatus which concerns on Example 6.
  • the present invention relates to a dose rate measuring apparatus for connecting a radiation light emitting element to an optical fiber, measuring one photon emitted from the radiation light emitting element one by one, calculating a count rate, and obtaining a dose rate.
  • a dose rate measuring apparatus for connecting a radiation light emitting element to an optical fiber, measuring one photon emitted from the radiation light emitting element one by one, calculating a count rate, and obtaining a dose rate.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a dose rate measuring apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the dose rate measuring device 1 includes a radiation sensor 10, an optical fiber 20, a photoelectric converter 30, a calculation device 40 and a display device 50.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the radiation sensor 10.
  • the radiation sensor 10 has a shape in which the light emitting unit 101 is covered with a cover 102.
  • the light emitting unit 101 is made of a polycrystalline radiation emitting material that generates light having an intensity depending on the amount of incident radiation.
  • the radiation-emitting material contains at least one rare earth element.
  • the radiation-emitting material is made of, for example, a material such as transparent yttrium, aluminum, or garnet as a base material, and a rare earth element such as ytterbium, neodymium, cerium, or praseodymium contained in the material.
  • the linearity between the dose rate of the radiation incident on the radiation sensor 10 and the light intensity can be improved.
  • the measuring apparatus 1 can measure the radiation dose rate more accurately even when radiation with a high dose rate is incident.
  • the light emitting part 101 is made of a polycrystalline radiation emitting material, it can be formed into an arbitrary shape as compared with a single crystal.
  • the cover 102 may be a light-shielding material that transmits gamma rays to be measured but does not mix external light. From the viewpoint of sensitivity, a material that reflects light emitted from the light emitting unit 101 may be used. Aluminum or the like can be used as a specific material. Alternatively, minimally invasiveness can be realized by using an elastic cover.
  • the optical fiber 20 is connected to the light emitting unit 101 and transmits generated photons to the photoelectric converter 30 connected to the opposite side.
  • Examples of the material constituting the optical fiber 20 include quartz and plastic.
  • the photoelectric converter 30 is a converter that is connected to the optical fiber 20 and transmits one electrical pulse to one photon of transmitted light.
  • a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, or the like can be employed as the photoelectric converter 30, for example, a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, or the like. By using these photomultiplier tubes or the like, light (photons) can be converted into electric pulses with current amplification.
  • the arithmetic unit 40 is connected to the photoelectric converter 30, counts each electric pulse converted from each photon by the photoelectric converter 30, and uses the measured electric pulse count rate as a radiation dose rate. It is a device to convert to. Specifically, the arithmetic unit 40 includes a storage device (not shown) that stores a data table that associates a counting rate of electrical pulses with a dose rate of radiation, and the counting is performed using the data table. A calculation process is performed to convert the counting rate of electric pulses into the radiation dose rate.
  • the arithmetic unit 40 is not particularly limited as long as the electric pulse count rate can be converted into the radiation dose rate, and for example, a personal computer having the above-described functions can be employed.
  • the display device 50 displays the dose rate and the like calculated by the arithmetic device 40, and can also display the abnormality of the dose rate measurement device 1 and the like.
  • the inventor has a one-to-one correspondence between the dose rate of incident radiation and the number of photons per unit time emitted by the light emitting unit 101 (hereinafter also referred to as “photon counting rate”). It was found by experiment that there is a relationship of On the other hand, it is known that there is a one-to-one correspondence between the photon count rate and the electrical pulse count rate. Therefore, it is derived that there is a one-to-one correspondence between the radiation dose rate and the above-mentioned electrical pulse count rate. By using this relationship, the obtained electrical pulse count rate is calculated as the radiation dose rate. It can be converted into a rate.
  • the correspondence relationship between the radiation dose rate and the electric pulse count rate described above varies depending on the size, shape, and material of the light emitting unit 101 to be used and the thickness and length of the optical fiber 20. Therefore, by obtaining this correspondence relationship for each radiation monitor in advance and creating a data table, the obtained electric pulse count rate can be converted into a radiation dose rate.
  • the arithmetic unit 40 is not limited to the radiation dose rate, and may be, for example, a change in dose rate with time.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a photon (light) generation process by incident radiation.
  • the energy of the radiation r causes rare earth atoms or the like in the light emitting unit 101 to be in an excited state with higher energy (for example, energy levels L 2 and L 3). Transition (see arrows a1 and a2 in FIG. 4).
  • a rare earth atom having a high energy in an excited state transitions to a lower energy excited state or a ground state (for example, energy levels L1 and L2) (arrows in FIG. 4).
  • photons p photons having energy corresponding to the difference in energy are generated.
  • the photon p (light) generated in this way is transmitted to the photoelectric converter 30 via the optical fiber 20 and is converted into an electric pulse in the photoelectric converter 30.
  • the number of electric pulses converted by the photoelectric converter 30 is counted by the arithmetic unit 40, and the count rate of the obtained electric pulses is collated with a data table to convert it into a radiation dose rate, so that the incident radiation Determine the dose rate.
  • the dose rate measuring apparatus includes the radiation sensor 10, the optical fiber 20, the photoelectric converter 30, the arithmetic device 40, and the display device 50. Therefore, the incident radiation is converted into an electric pulse count rate (photon rate). It is possible to measure the dose rate of radiation easily and accurately. Moreover, since the said dose rate measuring apparatus is the above-mentioned structure and does not apply a high voltage, it can reduce an electric shock risk.
  • the dose rate measuring apparatus 1 of the present embodiment is characterized by the radiation sensor 10A, and the configuration of the other optical fiber 20, the photoelectric converter 30, the arithmetic device 40, and the display device 50 is the same as that of the first embodiment.
  • the radiation sensor 10A will be described in detail with reference to FIG.
  • the material of the light emitting unit 101A in the radiation sensor 10A is characterized.
  • the light emitting unit 101A is a mixture of a radiation emitting material that generates light having an intensity depending on the amount of incident radiation and a light transmissive material that transmits light emitted from the radiation emitting material.
  • the radiation-emitting material is the same as in the first embodiment, and contains at least one rare earth element. Therefore, as in the first embodiment, the linearity between the dose rate of the radiation incident on the radiation sensor 10A and the light intensity can be improved, and the dose rate measuring apparatus 1 receives radiation with a high dose rate. Even in this case, the radiation dose rate can be measured more accurately.
  • the light-transmitting material only needs to be a material that transmits the light emitted from the radiation-emitting material.
  • a resin-made material can be used from the viewpoint of workability.
  • plastic materials such as acrylic, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polystyrene, and vinyl chloride. Of course, it is not limited to these.
  • a thermoplastic light-transmitting material can be used for forming the light emitting portion 101A.
  • the molding method is a method in which a powdery radiation-emitting material is dissolved in a light-transmitting material heated to a liquid state, and then cooled and cured. When it is cured, it may be molded by pouring into a mold that matches the shape of the examination site (organ etc.), or it may be cut out into a required shape after curing.
  • the method for forming the light emitting portion 101A is not limited to this, and it is only necessary that the radiation emitting material and the light transmissive material are mixed and formed into an arbitrary shape.
  • the photon counting rate can be adjusted.
  • the dose rate is low, increase the mixing ratio of the radiation emitting material and increase the counting rate to shorten the measurement time or improve the measurement accuracy.
  • the dose rate is high, reduce the mixing ratio of the radiation emitting material to reduce the circuit system. Etc. can be suppressed.
  • the cover 102A may be formed of a light-shielding material that transmits gamma rays to be measured and does not mix external light and has a shape that matches the light-emitting portion 101A. From the viewpoint of sensitivity, a material that reflects light emitted from the light emitting unit 101 may be used. Alternatively, minimally invasiveness can be realized by using an elastic cover.
  • the dose rate measuring apparatus 1 of the present embodiment is characterized in that the radiation sensor 10B is an elastic body.
  • Other configurations of the optical fiber 20, the photoelectric converter 30, the arithmetic device 40, and the display device 50 are the same as those in the first embodiment.
  • the radiation sensor 10B will be described in detail with reference to FIG.
  • the light emitting unit 101B of the present embodiment is a mixture of a radiation emitting material that generates light having an intensity depending on the amount of incident radiation and a light transmissive material that is an elastic body that transmits light emitted from the radiation emitting material.
  • the radiation-emitting material is the same as in the first embodiment, and contains at least one rare earth element. Therefore, as in the first and second embodiments, the linearity between the dose rate of the radiation incident on the radiation sensor 10B and the light intensity can be improved, and the dose rate measuring apparatus 1 can achieve a high dose. Even when a rate of radiation is incident, the dose rate of the radiation can be measured more accurately.
  • the light-transmitting material may be an elastic material that transmits light emitted from the radiation-emitting material.
  • Specific examples include polyvinyl chloride and styrene TPE. Of course, it is not limited to these.
  • the light emitting part 101B may be a general rubber product manufacturing method, for example, if a raw material is manufactured by kneading a powdery radiation emitting material into the raw material, and molding is performed to a required shape by press molding or injection molding. Good.
  • the molding method of the light emitting part 101B is not limited to this, and the radiation emitting material and the light transmissive material having elasticity can be mixed to form into an arbitrary shape, and the necessary amount of the radiation emitting material can be mixed. It only needs to be adjustable.
  • the cover 102B may be a light-blocking material that transmits gamma rays to be measured and does not mix external light and has elasticity similar to the light emitting unit 101B.
  • the radiation sensor 10B (the light emitting unit 101B and the cover 102B) is an elastic body, invasiveness can be greatly reduced during insertion into the body. Moreover, it becomes possible to flexibly follow the deformation of the organ in the body, and the measurement accuracy and reproducibility are improved.
  • the dose rate measuring apparatus 1 of the present embodiment is characterized in that the radiation sensor 10C is water equivalent.
  • Other configurations of the optical fiber 20, the photoelectric converter 30, the arithmetic device 40, and the display device 50 are the same as those in the first embodiment.
  • the radiation sensor 10C will be described in detail with reference to FIG.
  • the light emitting unit 101C of this embodiment is a mixture of a radiation emitting material that generates light having an intensity depending on the amount of incident radiation and a light transmissive material that transmits light emitted from the radiation emitting material.
  • the radiation-emitting material is the same as in the first embodiment, and contains at least one rare earth element. Therefore, as in the first and second embodiments, the linearity between the dose rate of the radiation incident on the radiation sensor 10C and the intensity of light can be improved, and the dose rate measuring apparatus 1 has a high dose. Even when a rate of radiation is incident, the dose rate of the radiation can be measured more accurately.
  • the light-transmitting material is a material that transmits the light emitted by the radiation-emitting material, and the presence or absence of elasticity does not matter.
  • polyurethane resin acrylic, silicone rubber and the like. Of course, it is not limited to these.
  • the light emitting part 101C is an elastic body
  • a general rubber product manufacturing method may be used, and a raw material is manufactured by kneading a powdered radiation emitting material into the raw material, and molding is required by press molding, injection molding, or the like. What is necessary is just to shape
  • the method of forming the light emitting portion 101C is not limited to this, and it is only necessary that the radiation emitting material and the light transmissive material having elasticity are mixed and formed into an arbitrary shape.
  • the cover 102C may be made of a light-shielding material that transmits gamma rays to be measured and does not mix external light.
  • the feature is that the light transmissive material and the material of the cover 102C and the mixing ratio of the radiation luminescent material and the light transmissive material may be adjusted so that the radiation sensor 10C composed of the light emitting unit 101C and the cover 102C is equivalent to water. . If necessary, a material that does not affect light propagation may be mixed in the light-transmitting material to achieve a composition equivalent to water.
  • the optical fiber 20 is made of plastic close to water.
  • the radiation sensor 10C when the radiation sensor 10C is equivalent to water, it becomes almost the same as an internal organ, and even if the radiation sensor 10C is placed near the irradiated organ during treatment, the influence of the radiation sensor 10C on the dose distribution is negligible. Therefore, it becomes possible to monitor the dose rate during treatment with high accuracy.
  • the dose rate measuring apparatus 1 when used in QC / QA for radiation therapy, since the radiation sensor 10C is equivalent to water, the influence of the radiation sensor 10C on the dose distribution in the water phantom can be ignored. Therefore, it becomes possible to measure with high accuracy in the water phantom.
  • the dose rate measuring apparatus 1A of the present embodiment has a plurality of sets of a water-equivalent radiation sensor 10C and an optical fiber 20 connected thereto, and the radiation sensor 10C is arranged in the measurement target region, and the dose in the measurement target region It is characterized by measuring the rate distribution.
  • FIG. 8 shows a configuration diagram of a dose rate measuring apparatus 1A according to the present embodiment.
  • the dose rate measuring apparatus 1A includes a plurality of sets of water-equivalent radiation sensors 10C, an optical fiber 20, an optical fiber switch 60, a photoelectric converter 30, a calculation device 40, and a display device 50.
  • the plurality of optical fibers 20 are connected to the photoelectric converter 30 via the optical fiber switch 60.
  • the arithmetic unit 40 also has a function of controlling the optical fiber switch 60 and the photoelectric converter 30, and switches the optical fiber 20 to be connected to sequentially convert photons from the radiation sensor 10 ⁇ / b> C into an electrical signal by the photoelectric converter 30.
  • one optical fiber switch 60 and one photoelectric converter 30 are used, but a configuration having a plurality of optical fiber switches 60 and photoelectric converters 30 is also possible.
  • the extreme theory may be measured by connecting the photoelectric converter 30 to each set of all the water equivalent radiation sensors 10C and the optical fiber 20 connected thereto without the optical fiber switch 60.
  • the number of radiation sensors 10C connected to the photoelectric converter 30 may be determined from the time required for reading and the required sampling time.
  • the dose distribution in the body or in the water phantom can be measured with high accuracy without affecting the radiation irradiation (dose distribution).
  • the radiation sensor 10C is small and a plurality of the radiation sensors 10C can be arranged, measurement with high spatial resolution can be performed.
  • This example shows a case where the dose rate measuring apparatus 1 shown in Example 1 is incorporated in the radiation therapy apparatus 100.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the radiation therapy apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the radiation therapy apparatus 100 includes a radiation sensor 10, an optical fiber 20, a dose calculation device 40A, a control device 80, a radiation irradiation unit 81, a bed 82, and a gantry 83.
  • the dose calculation device 40A has the functions of the photoelectric converter 30 and the calculation device 40 of the first embodiment, and specifically includes a photoelectric conversion unit, an amplifier, and a calculation unit.
  • the photoelectric conversion unit is the same as the photoelectric converter 30 of the first embodiment.
  • the amplifier is connected to the photoelectric conversion unit, and amplifies and shapes the electric pulse converted from photons by the photoelectric conversion unit as necessary.
  • the calculation unit is connected to an amplifier, counts the electric pulses amplified by the amplifier, and converts the measured electric pulse count rate into a radiation dose rate, and corresponds to the calculation device 40 of the first embodiment.
  • the control device 80 performs radiation irradiation by controlling the radiation irradiation unit 81 and the bed 82 installed in the gantry 83 so as to obtain an optimum absorbed dose distribution based on the dose rate input from the dose calculation device 40A.
  • the dose rate can be controlled by changing the intensity and transmittance of radiation (energy such as X-rays and protons), the shape of the irradiated area can be changed by changing the shape of the collimator, and the irradiation position can be changed by changing the bed position. It is a device that controls.
  • the control is not limited to this, as long as it can control the absorbed dose rate distribution such as exchanging the radiation filter or controlling the irradiation time.
  • Dose rate measuring apparatus 1A Dose rate measuring apparatus 10 Radiation sensor 10A Radiation sensor 10B Radiation sensor 10C Radiation sensor 20 Optical fiber 30 Photoelectric converter 40 Arithmetic apparatus 50 Display apparatus 60 Optical fiber switch 100 Radiation therapy apparatus 101 Light emission part 101A light emission part 101B light emitting unit 101C light emitting unit 102 cover 102A cover 102B cover 102C cover

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Abstract

本発明の目的は、小型で侵襲性が小さく、臓器の複雑で固体差のある形状、更にはその経時変化に対応可能なセンサ部分を有する線量率測定装置及び放射線治療装置を提供することである。　このような課題を解決するために、本発明に係る線量測定装置は、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する多結晶放射線発光素材製の発光部と前記発光部を覆うカバーとからなる放射線センサと、前記放射線センサと接続し前記多結晶放射線発光素材が発したフォトンを伝送する光ファイバと、前記光ファイバが伝送したフォトンを電気信号に変換する光電変換器と、1個1個の前記フォトンを前記光電変換器が変換した電気信号を1個1個計測し計数率を算出して線量率を特定する演算装置と、前記演算装置で算出した測定結果を表示する表示装置とを有することを特徴とする。

Description

線量率測定装置及び放射線治療装置
　本発明は、線量率測定装置及び放射線治療装置に関する。
　日本において死亡原因の第一位はがんであり増加の一途をたどっており、医療の質（Quality of life : QOL）の向上が求められる近年の日本ではその治療法として放射線がん治療が注目を集めている。ニーズとしてのQOL向上に、シーズである放射線がん治療技術の高精度化があいまって、日本においても広く放射線がん治療が普及し始めている。
　治療に用いられる放射線には、X線、電子線、陽子線、重粒子線、中性子線があるが、特に近年、陽子線や重粒子線治療装置の開発が目覚ましい。陽子線や重粒子線は、止まる直前に集中的にエネルギーを与えて線量のピーク（ブラックピーク）を作る性質を利用し、がん部分に集中して線量を付与することができるので低侵襲で高精度な治療が期待できる。また、X線治療においてもIMRTやIGRT等が開発されており、線量率をがん部分に集中させる努力が進んでいる。放射線治療装置の高度化が進むのに伴い、治療計画の精度や患者位置決めの精度、治療計画や装置のQA用の線量率計測に至るまで放射線治療に関わる全体の精度向上が求められている。
　放射線治療における線量率計測は、その安定性や再現性が良好な電離箱が広く使用されている。電離箱はその検出原理から小型化には限界があり、代わりに小型化が比較的容易な半導体検出器を用いた線量分布測定が実施されている。しかし、信号処理系まで含めると半導体検出器でも小型化には限界がある。また、これらの検出器は、計測の為に高電圧を印加する必要があり、体内に挿入して線量率を測定することは困難である。
　また、これらの検出器は一般的に高密度なものであり、体内物質や水と比べると放射線との相互作用が大きく、検出器自体の影響が無視できない。
　そこで、体内の線量率をモニタ可能な検出器として、放射線発光素子と光ファイバを持いた方式が有力であり、以下の技術が知られている。
　特許文献１による放射線モニタは、「放射線検出部として蛍光を発するシンチレーションファイバ２を使用し、このシンチレーションファイバ２と同種類の材質で作られた、蛍光を伝送するための光伝送ファイバ３を融着して一体としたものを、伝送された光を電気パルス信号に変える光検出部４に接続する。シンチレーションファイバ２から発光する光は光検出部４により検出され、前置増幅器５により信号が増幅され、電気パルス信号を計数する計測装置６により計測され、この計測結果が表示装置７により表示されるように構成した。」ものであり、体内に線量計を挿入しがん病巣付近の吸収線量を正確に測定することを目的としている。
　本特許文献１においては、放射線発光素子としてシンチレーションファイバを使用しているが、体内に挿入する際の侵襲性を考慮すると弾性体が望ましく、また、体内の様々な形状に対応するように放射線発光素子は加工可能な方が好適である。
　特許文献２による放射線モニタは、「放射線入射を受けて蛍光を発し、可撓性を有するシンチレーションファイバ１１を放射線の検出部に用いている。シンチレーションファイバ１１において放射線を受け、蛍光を発すると、その光は後段の光ファイバ４によって伝送され、さらに後段の光電気変換装置２へ入力される、光電気変換装置２において光を電気信号に変換し、その電気信号をさらに後段の演算装置３に入力する。演算装置３において電気信号から、検出部に入射した放射線の線量率を算出し、表示装置１０においてその数値を表示する。」ものであり、可撓性を有するシンチレーションファイバを用いることにより微細局所における線量率を測定することを目的としている。
　本特許文献２においては、放射線発光素子として可撓性を有するシンチレーションファイバを使用しているので、体内挿入時の侵襲性が低減している。しかし、本質的に低線量から高線量までの広いダイナミックレンジを有していないので測定精度が低い問題がある。
特開平10-213663号公報 特開2007-139435号公報
　体内での線量率測定のためには、上述のように線量率計は小型で侵襲性が小さいことが必要であるが、更には臓器の形状が複雑で固体差があると共に経時的に変化することに対応して再現性のある計測をする必要がある。
　また、放射線治療においては、治療中の線量モニタと共にファントム内での測定等ＱＡ/ＱＣのための線量率測定も非常に重要である。これらの放射線治療を目的とした各種の線量率測定においては、低線量から高線量まで広いダイナミックレンジでの線量線形性が必要である。
　更に、治療精度が向上するのに伴い、より高い空間分解能で、より精度のよい計測が求められることになる。このニーズに対応するには、検出器の小型化が重要であり、更に検出器自体の放射線との相互作用も問題となるので、検出器の材質も測定対象（人体もしくはファントム）と同等であることが重要となる。
　以上より、本発明の目的は、小型で侵襲性が小さく、臓器の複雑で固体差のある形状、更にはその経時変化に対応可能なセンサ部分を有する線量率測定装置及び放射線治療装置を提供することである。
　このような課題を解決するために、本発明に係る線量測定装置は、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する多結晶放射線発光素材製の発光部と前記発光部を覆うカバーとからなる放射線センサと、前記放射線センサと接続し前記多結晶放射線発光素材が発したフォトンを伝送する光ファイバと、前記光ファイバが伝送したフォトンを電気信号に変換する光電変換器と、1個1個の前記フォトンを前記光電変換器が変換した電気信号を1個1個計測し計数率を算出して線量率を特定する演算装置と、前記演算装置で算出した測定結果を表示する表示装置とを有することを特徴とする。
　本発明によれば、本発明の目的は、小型で侵襲性が小さく、臓器の複雑で固体差のある形状、更にはその経時変化に対応可能なセンサ部分を有する線量率測定装置及び放射線治療装置を提供することが可能である。
実施例１に係る線量率測定装置の構成図である。 実施例１に係る線量率測定装置の放射線センサの断面図である。 実施例１に係る線量率とフォトン計数率の関係図である。 実施例１に係る発光部に入射した放射線によるフォトン（光）の生成過程を示す概念図である。 実施例２に係る線量率測定装置の放射線センサの断面図である。 実施例３に係る線量率測定装置の放射線センサの断面図である。 実施例４に係る線量率測定装置の放射線センサの断面図である。 実施例５に係る線量率測定装置の構成図である。 実施例６に係る放射線治療装置の構成図である。
　本発明は、放射線発光素子を光ファイバに接続し、放射線発光素子から発光するフォトンを1個1個計測して計数率を算出し、線量率を求める線量率測定装置に関するものである。以下、本発明を実施するための形態（以下「実施例」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
　本実施形態に係る線量率測定装置について図１及び図２を用いて説明する。
＜線量率測定装置＞
　図1は本実施形態に係る線量率測定装置１の構成図である。
　線量率測定装置１は、放射線センサ１０、光ファイバ２０、光電変換器３０、演算装置４０及び表示装置５０を含んで構成されている。
　図２に放射線センサ１０の断面図を示す。放射線センサ１０は発光部１０１をカバー１０２で覆った形状である。
　発光部１０１は、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する多結晶の放射線発光素材製である。放射線発光素材は少なくとも1種の希土類元素を含有している。具体的には、放射線発光素材は、例えば、母材として透明イットリウム・アルミ・ガーネットなどの材料と、この材料中に含有されたイッテルビウム、ネオジム、セリウム、プラセオジウムなどの希土類元素により構成されている。
　このように、放射線発光素材が少なくとも１種の希土類元素を含有していることで、放射線センサ１０に入射した放射線の線量率と光の強度との線形性を向上させることができ、当該線量率測定装置１は、高い線量率の放射線が入射する場合であっても、放射線の線量率をより正確に計測することができる。
　発光部１０１は多結晶の放射線発光素材からできているので単結晶に比べると、任意の形状への成形が可能である。
　このように任意形状への加工が可能となるので、複雑な臓器の計測に最適な形状を実現することができる。更に、臓器の固体差や計時変化に対応して個別にセンサ形状を変えることが可能であり、測定精度や再現性が格段に向上する。また、センサ部の材質（形、硬さ、密度等）をコントロール可能であるため、低侵襲な線量率測定装置を提供することができる。
　カバー１０２は、計測するガンマ線が透過するが、外部の光は混入しない遮光性の材質であれば良い。感度の観点から発光部１０１が発した光を反射する材質でも良い。具体的な材質としてアルミ等を用いることができる。または、カバーを弾性体とすれば低侵襲性を実現できる。
　光ファイバ２０は、発光部１０１と接続しており、発生したフォトンを、反対側に接続する光電変換器３０まで伝送する。光ファイバ２０を構成する材料としては、例えば、石英、プラスチック等が挙げられる。
　光電変換器３０は、光ファイバ２０に接続され、伝送された光のフォトン１個に対して１個の電気パルスを発信する変換器である。光電変換器３０としては、例えば、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード等を採用することができる。これら光電子増倍管等を用いることで、光（フォトン）を、電流増幅した電気パルスに変換することができる。
　演算装置４０は、光電変換器３０に接続され、光電変換器３０で１個１個のフォトンから変換した１個１個の電気パルスを計数し、計測した電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算する機器である。具体的には、演算装置４０は、電気パルスの計数率と放射線の線量率とを対応付けるデータテーブルを記憶している記憶装置（図示せず）を備えており、上記データテーブルを用い計数された電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算する演算処理を実施する。演算装置４０は、電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算できる限り特に限定されず、例えば、上述した機能を有するパーソナルコンピュータ等を採用することができる。
　表示装置５０は、演算装置４０で算出した線量率等を表示するもので、その他に線量率測定装置１の異常等を表示することができる。
　発明者は、図３に示すように、入射する放射線の線量率と、発光部１０１が発する単位時間当たりのフォトン数（以下、「フォトンの計数率」ともいう）との間には一対一対応の関係があることを実験により見出した。他方、上記フォトンの計数率と電気パルスの計数率との間に一対一対応の関係があることは公知である。したがって、放射線の線量率と上記電気パルスの計数率との間にも一対一対応の関係があることが導かれるので、この関係を用いることで、得られた電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算することができる。
　ここで、上述した放射線の線量率と電気パルスの計数率との対応関係は、使用する発光部１０１の大きさや形や材質、光ファイバ２０の太さや長さによって異なる。そのため、この対応関係を放射線モニタごとに予め求めてデータテーブル化しておくことで、得られた電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算することができる。なお、演算装置４０を用いて導出されるのは放射線の線量率に限定されるものではなく、例えば、線量率の経時変化等であってもよい。
　次に、当該線量率測定装置１の動作について説明する。図４は、入射した放射線によるフォトン（光）の生成過程を示す概念図である。図４に示すように、発光部１０１に放射線ｒが入射すると、この放射線ｒが有するエネルギーにより、発光部１０１における希土類原子等がエネルギーのより高い励起状態（例えば、エネルギー準位Ｌ２、Ｌ３）に遷移する（図４中の矢印ａ１、ａ２参照）。
　一方、励起状態（例えば、エネルギー準位Ｌ２、Ｌ３）にあるエネルギーの高い希土類原子等がよりエネルギーの低い励起状態や基底状態（例えば、エネルギー準位Ｌ１、Ｌ２）に遷移（図４中の矢印ｂ１、ｂ２参照）する際、そのエネルギーの差分に相当するエネルギーを有する光子ｐ（フォトン）が生成する。
　このようにして生成したフォトンｐ（光）を、光ファイバ２０を介して光電変換器３０に伝送し、当該光電変換器３０において電気パルスに変換する。次いで、光電変換器３０で変換した電気パルスの数を演算装置４０で計数し、得られた電気パルスの計数率をデータテーブルに照合して放射線の線量率に換算することで、入射した放射線の線量率を求める。
　このように、当該線量率測定装置は、上記放射線センサ１０、光ファイバ２０、光電変換器３０、演算装置４０および表示装置５０を備えているので、入射した放射線を電気パルスの計数率（フォトンの計数率）として測定することができ、放射線の線量率を簡易かつ正確に計測することができる。また、当該線量率測定装置は、上述の構成であり、高電圧を印加しないので、感電リスクを低減することができる。
　本実施形態の線量率測定装置１は、放射線センサ１０Ａに特徴があり、その他の光ファイバ２０、光電変換器３０、演算装置４０及び表示装置５０の構成は第一実施例と同様である。放射線センサ１０Ａについて図５を用いて詳細に説明する。
　放射線センサ１０Ａ中の発光部１０１Ａの素材に特徴がある。具体的には、発光部１０１Ａは、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する放射線発光素材と放射線発光素材が発した光を伝える光透過性素材を混合したものである。放射線発光素材は第一実施例と同様であり、少なくとも1種の希土類元素を含有している。従って、第一実施例と同様に、放射線センサ１０Ａに入射した放射線の線量率と光の強度との線形性を向上させることができ、当該線量率測定装置１は、高い線量率の放射線が入射する場合であっても、放射線の線量率をより正確に計測することができる。
　光透過性素材は放射線発光素材が発した光を透過する素材のものであればよく、加工性の観点から例えば樹脂製のもの等が可能である。具体的には、例えばプラスチック材料のアクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン及び塩化ビニル等がある。もちろんこれらに限定されるものではない。
　発光部１０１Ａの成形は、例えば熱可塑性の光透過性素材を使用することが可能である。成形方法は、加熱して液体状にした光透過性素材に、粉末状の放射線発光素材を溶かして、その後冷却して硬化させる方法である。硬化させる時に、検査部位（臓器等）の形状に合わせた型に流し込んで成形したり、硬化後に必要な形に削り出しても良い。発光部１０１Ａの成形方法はこれに限定させるものではなく、放射線発光素材と光透過性素材を混合し、任意の形状への成形が可能であればよい。
　必要な放射線発光素材の混合量を調整できるので、フォトンの計数率を調整可能となる。線量率の低い時は放射線発光素材の混合比率を高めて計数率を高めて測定時間の短縮または測定精度の向上を図り、線量率が高い時は放射線発光素材の混合比率を低めて、回路系等の飽和を抑制することができる。
　また、フォトンの透過性の低い光透過性素材を使用する、又は、フォトン透過性を低下させる材質を混合することで、高線量場に対応することも可能である。
　カバー１０２Ａは計測するガンマ線が透過して外部の光が混入しない遮光性の材質で発光部１０１Ａに合わせた形状であればよい。感度の観点から発光部１０１が発した光を反射する材質でも良い。または、カバーを弾性体とすれば低侵襲性を実現できる。
　発光部１０１Ａに放射線発光素材と光透過性素材の混合物を使用することにより、任意形状への加工がより簡単となり、複雑な臓器の計測に最適な形状を実現することができる。更に、臓器の固体差や計時変化に対応して個別にセンサ形状を変えることが可能であり、測定精度や再現性が格段に向上する。
　本実施形態の線量率測定装置１は、放射線センサ１０Ｂを弾性体にすることに特徴がある。その他の光ファイバ２０、光電変換器３０、演算装置４０及び表示装置５０の構成は第一実施例と同様である。放射線センサ１０Ｂについて図６を用いて詳細に説明する。
　本実施形態の発光部１０１Ｂは、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する放射線発光素材と放射線発光素材が発した光を伝える弾性体である光透過性素材を混合したものである。放射線発光素材は第一実施例と同様であり、少なくとも1種の希土類元素を含有している。従って、第一実施例及び第二実施例と同様に、放射線センサ１０Ｂに入射した放射線の線量率と光の強度との線形性を向上させることができ、当該線量率測定装置１は、高い線量率の放射線が入射する場合であっても、放射線の線量率をより正確に計測することができる。
　光透過性素材は放射線発光素材が発した光を透過する素材のもので、かつ弾性体であればよい。具体的には、ポリ塩化ビニル及びスチレン系TPE等がある。もちろんこれらに限定されるものではない。
　発光部１０１Ｂは、例えば一般的なゴム製品の製法で良く、原料中に粉末状の放射線発光素材を練り込んで原料を製造し、成形はプレス成型や射出成型等で必要な形へ成形すればよい。発光部１０１Ｂの成形方法はこれに限定させるものではなく、放射線発光素材と弾性を有する光透過性素材を混合し、任意の形状への成形が可能で、また必要な放射線発光素材の混合量を調整できればよい。
　カバー１０２Ｂは計測するガンマ線が透過して外部の光が混入しない遮光性の材質で発光部１０１Ｂと同様に弾性を有する材料であれば良い。
　発光部１０１Ｂに放射線発光素材と弾性を有する光透過性素材の混合物を使用することにより、任意形状への加工がより簡単となり、複雑な臓器の計測に最適な形状を実現することができる。更に、臓器の固体差や計時変化に対応して個別にセンサ形状を変えることが可能であり、測定精度や再現性が格段に向上する。
　さらに、放射線センサ１０Ｂ（発光部１０１Ｂ及びカバー１０２Ｂ）が弾性体となるので、体内挿入等に際して侵襲性が大幅に低減できる。また、体内での臓器の変形等に柔軟に追従可能となり、測定精度や再現性が向上する。
　本実施形態の線量率測定装置１は、放射線センサ１０Ｃを水等価にすることに特徴がある。その他の光ファイバ２０、光電変換器３０、演算装置４０及び表示装置５０の構成は第一実施例と同様である。放射線センサ１０Ｃについて図７を用いて詳細に説明する。
　本実施形態の発光部１０１Ｃは、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する放射線発光素材と放射線発光素材が発した光を伝える光透過性素材を混合したものである。放射線発光素材は第一実施例と同様であり、少なくとも1種の希土類元素を含有している。従って、第一実施例及び第二実施例と同様に、放射線センサ１０Ｃに入射した放射線の線量率と光の強度との線形性を向上させることができ、当該線量率測定装置１は、高い線量率の放射線が入射する場合であっても、放射線の線量率をより正確に計測することができる。
　光透過性素材は放射線発光素材が発した光を透過する素材のもので、弾性の有無は問題としない。具体的には、ポリウレタン樹脂、アクリルやシリコーンゴム等がある。もちろんこれらに限定されるものではない。
　発光部１０１Ｃは、例えば弾性体であれば、一般的なゴム製品の製法で良く、原料中に粉末状の放射線発光素材を練り込んで原料を製造し、成形はプレス成型や射出成型等で必要な形へ成形すればよい。発光部１０１Ｃの成形方法はこれに限定させるものではなく、放射線発光素材と弾性を有する光透過性素材を混合し、任意の形状への成形が可能であればよい。
　カバー１０２Ｃは計測するガンマ線が透過して外部の光が混入しない遮光性の材質であれば良い。
　特徴は、発光部１０１Ｃとカバー１０２Ｃで構成された放射線センサ１０Ｃが水等価になるように光透過性素材とカバー１０２Ｃの材料、及び放射線発光素材と光透過性素材の混合比を調整すればよい。また、必要であれば、光伝播に影響のない素材を光透過性素材中に混合し水相当の組成を実現すればよい。
　また、光ファイバ２０も水相当に近いプラスチック製にするとなお良い。
　発光部１０１Ｃに放射線発光素材と光透過性素材の混合物を使用することにより、任意形状への加工がより簡単となり、複雑な臓器の計測に最適な形状を実現することができる。更に、臓器の固体差や計時変化に対応して個別にセンサ形状を変えることが可能であり、測定精度や再現性が格段に向上する。
　さらに、放射線センサ１０Ｃが水相当となると体内臓器とほぼ同等となり、治療中に放射線照射臓器の近くに放射線センサ１０Ｃを配置しても、本放射線センサ１０Ｃによる投与放射線量分布への影響は無視できるので、精度よく治療中の線量率モニタが可能となる。
　また、本線量率測定装置１を放射線治療のＱＣ/ＱＡで使用する際に、放射線センサ１０Ｃが水相当なので、本放射線センサ１０Ｃによる水ファントム中の投与放射線量分布への影響が無視できる。従って、水ファントム中で精度良く測定することが可能となる。
　本実施形態の線量率測定装置１Ａは、水等価な放射線センサ１０Ｃとそれに接続する光ファイバ２０の組を複数個有して、放射線センサ１０Ｃを測定対象領域に配置して、測定対象領域の線量率分布を測定することを特徴とする。
　図８に本実施形態に係る線量率測定装置１Ａの構成図を示す。
　線量率測定装置１Ａは、複数組の水等価な放射線センサ１０Ｃと光ファイバ２０、光ファイバ切替器６０、光電変換器３０、演算装置４０及び表示装置５０を含んで構成されている。
　複数個の光ファイバ２０は光ファイバ切替器６０を介して光電変換器３０に接続されている。演算装置４０は光ファイバ切替器６０及び光電変換器３０を制御する機能も有し、接続する光ファイバ２０を切替えて順次放射線センサ１０Ｃからのフォトンを光電変換器３０にて電気信号に変換する。
　本実施形態では光ファイバ切替器６０及び光電変換器３０を1個としたが、複数個有する構成でも良い。極論は、光ファイバ切替器６０は無しで、全ての水等価な放射線センサ１０Ｃとそれに接続する光ファイバ２０の組に光電変換器３０をそれぞれ接続して測定してもよい。光電変換器３０に接続される放射線センサ１０Ｃの数は、読出しに係る時間と必要なサンプリングタイムから決定すればよい。
　複数個の水等価な放射線センサ１０Ｃを測定対象領域に配置できるので、放射線照射（線量分布）に影響を与えることなく、体内もしくは水ファントム内の線量分布を高精度に計測することが可能となる。また、本放射線センサ１０Ｃは小型でありそれを複数個配置可能なので、空間分解能が高い測定が実施可能となる。
　本実施例は、実施例１に示す線量率測定装置１を放射線治療装置１００に組み込んだ場合を示す。
　図９は本実施例に係る放射線治療装置１００の構成図である。放射線治療装置１００は、放射線センサ１０、光ファイバ２０、線量演算装置４０Ａ、制御装置８０、放射線照射部８１、ベッド８２及びガントリ８３を含んで構成されている。
　線量演算装置４０Ａは、実施例１の光電変換器３０と演算装置４０の機能を有しており、具体的には、光電変換部、増幅器及び演算部を含んで構成されている。
　光電変換部は、実施例１の光電変換器３０と同様である。増幅器は、光電変換部に接続され、光電変換部でフォトンから変換した電気パルスを必要に応じて増幅、波形整形する。演算部は、増幅器に接続され、増幅器で増幅された電気パルスを計数し、計測した電気パルスの計数率を放射線の線量率に換算する装置であり、実施例１の演算装置４０に相当する。
　制御装置８０は、線量演算装置４０Ａから入力された線量率に基づき、最適な吸収線量分布となるように、ガントリ８３に設置された放射線照射部８１及びベッド８２を制御し放射線照射を実施する。具体的には、放射線の強度、透過率（X線や陽子線等のエネルギー）を変えて線量率をコントロールしたり、コリメータ形状を変えて照射部位形状を変えたり、ベッド位置を変えて照射位置をコントロールする装置である。もちろん制御するのはこれに限定されるものではなく、放射線のフィルタを交換したり、照射時間をコントロールする等の吸収線量率分布をコントロールできるものであればよい。
　なお、実施例２～５に示す線量率測定装置を、本実施例の放射線治療装置に組み込んでも、それぞれの実施例２～５に示す効果を奏することが可能である。
１　　　線量率測定装置
１Ａ　　線量率測定装置
１０　　放射線センサ
１０Ａ　放射線センサ
１０Ｂ　放射線センサ
１０Ｃ　放射線センサ
２０　　光ファイバ
３０　　光電変換器
４０　　演算装置
５０　　表示装置
６０　　光ファイバ切替器
１００　放射線治療装置
１０１　発光部
１０１Ａ発光部
１０１Ｂ発光部
１０１Ｃ発光部
１０２　カバー
１０２Ａカバー
１０２Ｂカバー
１０２Ｃカバー

Claims (6)

  1. 入射した放射線量に依存した強度の光を発生する多結晶放射線発光素材製の発光部と前記発光部を覆うカバーとからなる放射線センサと、
    前記放射線センサと接続し前記多結晶放射線発光素材が発したフォトンを伝送する光ファイバと、
    前記光ファイバが伝送したフォトンを電気信号に変換する光電変換器と、
    前記光電変換器が1個1個の前記フォトンから変換した電気信号を1個1個計測し計数率を算出して線量率を特定する演算装置と、
    前記演算装置で算出した測定結果を表示する表示装置とを有することを特徴とする線量率測定装置。
  2. 入射した放射線量に依存した強度の光を発生する放射線発光素材と前記放射線発光素材が発した光を伝える光透過性素材とを混合した発光部と前記発光部を覆うカバーとからなる放射線センサと、
    前記放射線センサと接続し前記放射線発光素材が発したフォトンを伝送する光ファイバと、
    前記光ファイバが伝送したフォトンを電気信号に変換する光電変換器と、
    前記光電変換器が1個1個の前記フォトンから変換した電気信号を1個1個計測し計数率を算出して線量率を特定する演算装置と、
    前記演算装置で算出した測定結果を表示する表示装置とを有することを特徴とする線量率測定装置。
  3. 請求項２記載の線量率測定装置において、
    前記放射線センサは、入射した放射線量に依存した強度の光を発生する前記放射線発光素材と前記放射線発光素材が発した光を伝えて弾性を有する光透過性素材とを混合した発光素子と前記発光部を覆う弾性を有するカバーを備えることを特徴とする線量率測定装置。
  4. 請求項２又は３記載の線量率測定装置において、
    前記放射線センサは水等価であることを特徴とする線量率測定装置。
  5. 請求項1から４のいずれかに記載の線量率測定装置において、
    水等価な前記放射線センサと前記放射線センサと接続している前記光ファイバとの組を複数個有し、
    線量率分布を測定することを特徴とする線量率測定装置。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の線量率測定装置を有し、
    前記線量率測定装置で算出した線量率に基づき放射線照射部及びベッドを制御する制御装置とを有することを特徴とする放射線治療装置。
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