WO2021038941A1 - 粒子線モニタ装置、粒子線治療システムおよび粒子線モニタ方法 - Google Patents

粒子線モニタ装置、粒子線治療システムおよび粒子線モニタ方法 Download PDF

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WO2021038941A1
WO2021038941A1 PCT/JP2020/012894 JP2020012894W WO2021038941A1 WO 2021038941 A1 WO2021038941 A1 WO 2021038941A1 JP 2020012894 W JP2020012894 W JP 2020012894W WO 2021038941 A1 WO2021038941 A1 WO 2021038941A1
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WO
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particle beam
charged particle
sensor
monitoring device
radiation
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/012894
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
上野　雄一郎
耕一 岡田
幸太 佐々木
田所　孝広
泰介 高柳
祐介 藤井
Original Assignee
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation

Definitions

  • the present invention relates to a particle beam monitoring device, a particle beam therapy system, and a particle beam monitoring method, and more particularly to a technique for detecting radiation generated by an interaction between a charged particle beam and an irradiation target.
  • Particle beam therapy that irradiates the affected area with a charged particle beam such as a proton beam or a heavy particle beam is widely used.
  • a charged particle beam based on charged particles accelerated to have the required energy by an accelerator is transported to an irradiation nozzle by a transport device, and the affected area is irradiated from the irradiation nozzle.
  • an irradiation target point is set on the affected area, and a charged particle beam is irradiated toward the irradiation target point.
  • charged particle beams such as proton beams and heavy particle beams have the property of giving energy to the affected area immediately before it stops at the affected area and destroying the tissue of the affected area. The depth of the position where the charged particle beam reaches depends on the energy of the charged particle.
  • Patent Document 1 describes a depth direction dose distribution measuring device that measures a dose distribution in the depth direction of a charged particle beam.
  • This device includes a collimator that allows a part of the particle beam to pass through, and a depth-direction dose distribution detector that detects a part of the remaining particle beam that does not pass through the collimator on the upstream side of the collimator. A part of the particle beam that has passed through the collimator is irradiated to the patient, and the particle beam detected by the depth direction dose distribution detector measures the dose distribution in the depth direction of the particle beam.
  • the dose distribution in the depth direction of the prompt gamma rays generated by the irradiation of the charged particle beam is measured by a gamma camera using a collimator, and the position of the Bragg peak is obtained. Be done.
  • the Bragg peak is defined as the peak of the dose distribution in the depth direction for a charged particle beam having a certain value of energy.
  • the position of the Bragg peak corresponds to the arrival position of the charged particle beam.
  • Non-Patent Document 1 if the diameter of the collimator is increased, the sensitivity to prompt gamma rays is increased, but there is a problem that the measurement resolution at the position where the charged particle beam is irradiated is lowered.
  • An object of the present invention is to improve the measurement sensitivity and measurement resolution when measuring the position where the charged particle beam is irradiated.
  • the present invention includes a sensor that detects radiation generated by the interaction between a charged particle beam and an irradiation target, and a shield that limits the detection range of the sensor.
  • the shield is the shield as seen from the sensor.
  • the upstream side of the orbit of the charged particle beam has a greater shielding effect on the radiation.
  • the present invention it is possible to increase the measurement sensitivity and measurement resolution when measuring the position where the charged particle beam is irradiated.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of the particle beam monitoring device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the particle beam monitor device 1 includes a detector 10, a control device 20, a moving mechanism 30, and a display device 40.
  • the detector 10 includes a sensor 14 and a shield 12.
  • the charged particle beam 52 is irradiated to the patient 50 to be irradiated from a particle beam irradiation device (not shown).
  • Prompt gamma rays 54 are emitted from the patient 50 by the interaction between the charged particle beam 52 and the living tissue of the patient 50.
  • the prompt gamma ray 54 is simply referred to as a gamma ray 54.
  • Gamma rays 54 are detected at a plurality of positions along the charged particle beam 52, and the arrival positions of the charged particle beam 52 are determined based on the detected gamma rays 54.
  • the sensor 14 detects the gamma ray 54.
  • the sensor 14 may consist of a scintillator and a photoelectric converter that converts the light emitted from the scintillator into an electronic signal.
  • the scintillator for example, LaBr3, GSO, LYSO, BGO and the like may be used.
  • the photoelectric converter for example, a photomultiplier tube, a photodiode, or the like may be used.
  • the sensor 14 is not limited to these scintillators or photoelectric converters. Radiation emitting materials having different compositions may be used for the sensor 14. Further, a semiconductor detector such as CdTe or CZT may be used for the sensor 14. In this case, the sensor 14 includes a preamplifier instead of the photoelectric converter.
  • the shield 12 is formed of, for example, lead or a material containing lead.
  • the shield 12 limits the detection range of the sensor 14.
  • the detection range of the sensor 14 largely limits the upstream side of the orbit of the charged particle beam 52 to the downstream side. That is, the shielding body 12 has a greater shielding effect on radiation on the upstream side than on the downstream side of the orbit of the charged particle beam 52 when viewed from the sensor 14.
  • the shield 12 does not have to shield the downstream side of the orbit of the charged particle beam 52 as viewed from the sensor 14.
  • the moving mechanism 30 moves the detector 10 along the trajectory of the charged particle beam 52 according to the control of the control device 20.
  • the beam direction axis x directed in the traveling direction of the charged particle beam 52 is defined.
  • the positive direction of the beam direction axis x corresponds to the depth direction in the patient 50.
  • the detector 10 may be arranged at each of a plurality of positions along the beam direction axis x by the moving mechanism 30. Thereby, the sensor 14 can detect the gamma ray 54 at a plurality of different positions along the orbit of the charged particle beam 52.
  • the control device 20 includes a processor 22 and a storage device 24.
  • the processor 22 reads the program stored in the storage device 24.
  • the processor 22 executes a program and determines the arrival position of the charged particle beam 52 on the beam direction axis x based on the detection signal output from the sensor 14. Further, the processor 22 controls the moving mechanism 30 or causes the display device 40 to display information by executing a program.
  • the processor 22 may be a computer equipped with a CPU (Central Processing Unit), memory, an interface, or the like, or a programmable arithmetic device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the program is stored in the storage device 24 and is read by the processor 22.
  • the program may be read into the processor 22 from an external computer and installed in the processor 22.
  • the external computer may be one directly connected to the control device 20 or may be connected to a communication line such as the Internet. A part of the processing executed by the control device 20 may be executed by an external computer.
  • control device 20 may incorporate an electronic circuit as hardware in place of the processor 22 or together with the processor 22. Part or all of the processing executed by the control device 20 may be executed by an electronic circuit as hardware incorporated in the control device 20.
  • a RAM, a ROM, a hard disk, a USB memory, an SD card, or the like may be used for the storage device 24 included in the control device 20.
  • the storage device 24 may be a storage on a communication line such as the Internet.
  • the process executed by the control device 20 may be executed by a plurality of computers that execute the distributed process.
  • FIG. 2 conceptually shows the relationship between the position x of the sensor 14 on the beam direction axis x and the detection sensitivity S.
  • the detection sensitivity S is defined as, for example, the detection signal level of the sensor 14 assuming that the gamma ray emission intensity on the beam direction axis x is constant (the gamma ray intensity generated by the charged particle beam is constant).
  • the detection sensitivity S of the sensor 14 has a non-zero value in the upstream region of x> XS, and decreases in the downstream region of x ⁇ XS toward the negative direction of the beam direction axis x.
  • the structure of the detector 10 is such that a shield 12 is provided in the upstream region and the downstream region has a shield 12.
  • the structure may not be provided with the shield 12.
  • the shield 12 does not have to have the detection sensitivity S completely 0 with respect to the upstream region. Further, the shielding body 12 may have a shielding effect on the downstream region. That is, the shield 12 may have a structure in which the shielding effect on radiation is greater on the upstream side than on the downstream side of the orbit of the charged particle beam when viewed from the sensor 14.
  • the material of the shield 12 is not limited to lead.
  • the material of the shield 12 may be a substance having a large mass number and a high density so as to shield radiation so as to limit the detection range of the sensor 14.
  • the material of the shield 12 may be, for example, tungsten or the like.
  • FIG. 3 conceptually shows the dose distribution in the beam direction axis x direction.
  • the dose ⁇ is associated with each position on the beam direction axis x.
  • the dose distribution in the x-direction of the beam direction axis becomes maximum at a position corresponding to the energy of the charged particle beam.
  • the position BP at which the dose distribution is maximized is defined as the Bragg peak 56.
  • the position where the dose distribution becomes maximum that is, the arrival position of the charged particle beam changes, which is the property of the charged particle beam.
  • the higher the energy of a charged particle beam the deeper it reaches within the body.
  • the energy of the charged particle beam is set so that the position BP of the Bragg peak where the dose distribution is maximized matches the position of the irradiation target point in the affected area.
  • the particle beam monitoring device 1 measures the arrival position of the charged particle beam 52 based on the dose distribution.
  • the arrival position of the charged particle is stored in the control device 20 or displayed on the display device 40. The user may confirm whether or not the charged particle beam 52 has reached the irradiation target point based on the information displayed on the display device 40.
  • the sensor 14 detects the gamma ray 54 that has arrived toward itself, and outputs a detection signal indicating that the gamma ray 54 has been detected to the control device 20.
  • the control device 20 obtains a radiation count value for the gamma ray 54 based on the detection signal output from the sensor 14.
  • the radiation count value represents the frequency with which gamma rays 54 are detected.
  • the particle beam monitor device 1 arranges the detector 10 at a different position for each of a plurality of N irradiations, as described below.
  • the position of the detector 10 is defined as the position of the sensor 14.
  • i is an integer of 1 to N.
  • the processor 22 obtains a count profile curve in which the radiation count value C is associated with each position on the beam direction axis x.
  • the count profile curve shows the radiation count value for each position along the charged particle beam 52.
  • FIG. 4 shows the count profile curve 42.
  • the count profile curve 42 is a curve such that the radiation count value C changes in the positive direction of the beam direction axis x as follows.
  • the radiation count value C gradually decreases toward the positive direction of the beam direction axis x
  • the radiation count value C gradually decreases toward the positive direction of the beam direction axis x.
  • the radiation count value C decreases sharply.
  • the radiation count value C gradually decreases toward the positive direction of the beam direction axis x again.
  • the storage device 24 stores reference data representing a reference curve.
  • the reference data is read by the processor 22.
  • FIG. 5 shows a reference curve 44 in addition to the count profile curve 42.
  • the process of obtaining the shift amount ⁇ may be performed by the following correlation calculation.
  • the reference function data is data showing the reference function g (x) representing the reference curve 44.
  • the processor 22 reads the reference function data from the storage device 24.
  • the correlation coefficient r ( ⁇ ) obtained by the correlation calculation indicates the degree to which the two functions f (x ⁇ ) and g (x) are similar.
  • the correlation coefficient r ( ⁇ ) may be represented by, for example, a value of 0 or more and 1 or less.
  • FIG. 6 shows a flowchart of the process executed by the control device 20.
  • the control device 20 obtains the radiation count value C of the gamma ray 54 detected by the sensor 14 for each of the N irradiations with respect to the irradiation target point (S101).
  • Controller 20 obtains the count profile curve based on N times the radiation count value C 1 ⁇ C N determined for irradiation (S102).
  • the control device 20 obtains a shift amount ⁇ in the beam direction axis x direction of the count profile curve with respect to the reference curve (S103).
  • the control device 20 further adds the shift amount ⁇ to the reference position to obtain the Bragg peak position BP as the arrival position of the charged particle beam 52 (S104).
  • the process of finding the Bragg peak position BP based on the difference between the position of the reference curve and the position of the count profile curve is reduced to the numerical calculation based on the program. Therefore, the processing is performed quickly by the processor 22.
  • the control device 20 may obtain the Bragg peak position BP based on the slope of the count profile curve with respect to the traveling direction of the charged particle beam 52. That is, the control device 20 may obtain the Bragg peak position BP based on the differential value of the count profile curve.
  • j is an integer of 2 to N.
  • the processor 22 of the control device 20 obtains a radiation count value differential curve in which the differential value of the count profile curve is associated with each position on the beam direction axis x.
  • FIG. 7 shows the radiation count value differential curve 46.
  • FIG. 7 shows an inverted polarity of the differential value of the radiation count value differential curve 46.
  • the processor 22 obtains the position on the beam direction axis x when the magnitude of the differential value indicated by the radiation count value differential curve 46 becomes the maximum value or becomes equal to or greater than a predetermined threshold value as the Bragg peak position BP.
  • FIG. 8 shows a flowchart of a process in which the control device 20 obtains the arrival position of the charged particle beam 52 based on the differential value of the count profile curve.
  • the control device 20 obtains the radiation count value C of the gamma ray 54 detected by the sensor 14 for each of the N irradiations with respect to the irradiation target point (S201).
  • Controller 20 obtains the radiation count value differential curve based on N times the radiation count value C 1 ⁇ C N determined for irradiation (S202). The control device 20 further sets the position on the beam direction axis x when the magnitude of the differential value indicated by the radiation count value differential curve reaches the maximum value or exceeds a predetermined threshold value as the Bragg peak position BP. The arrival position of the charged particle beam 52 is obtained (S203).
  • the process of obtaining the Bragg peak position BP based on the slope of the count profile curve with respect to the traveling direction of the charged particle beam 52 is reduced to a numerical calculation based on the program. Therefore, the processing is performed quickly by the processor 22.
  • the dose ⁇ gradually increases toward the positive direction of the beam direction axis x and reaches the Bragg peak 56.
  • the dose ⁇ goes in the positive direction of the beam direction axis x and the dose ⁇ drops sharply.
  • the count profile curve may not approximate the ideal curve.
  • the ideal curve is a reference curve or a curve obtained by shifting the reference curve in the beam direction axis x direction. In this case, it may be difficult to obtain the Bragg peak position BP with sufficient resolution.
  • the particle beam monitoring device 1 uses a shield 12 having a greater shielding effect on gamma rays 54 on the upstream side than on the downstream side of the orbit of the charged particle beam 52 when viewed from the sensor 14. .. Therefore, the gamma ray 54 arriving from the downstream region has a greater contribution to the radiation count value C than the gamma ray 54 arriving from the upstream region. As a result, the count profile curve becomes close to the ideal curve, the Bragg peak position BP is obtained with sufficient resolution, and the position where the charged particle beam is irradiated (the arrival position of the charged particle beam) is obtained with sufficient resolution. Be done.
  • the number of gamma rays detected by the sensor 14 increases, and the sensitivity when determining the position BP of the Bragg peak is obtained. Is improved. This improves the sensitivity when determining the arrival position of the charged particle beam, that is, the position where the charged particle beam is irradiated.
  • FIG. 9 schematically shows the configuration of the particle beam monitoring device 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the particle beam monitor device 2 includes a detection unit 60, a control device 20, and a display device 40.
  • the detector 10 in the particle beam monitoring device 1 shown in FIG. 1 is replaced with the detection unit 60.
  • the detection unit 60 includes a plurality of N detectors 5-1 to 5-N. Each detector 5-j (j is an integer of 1 to N) has a set of a sensor 14 and a shield 12a.
  • the plurality of detectors 5-1 to 5-N are arranged at predetermined azimuth angle intervals when viewed from the orbit of the charged particle beam 52.
  • the shield 12a included in each detector 5-j is formed in a substantially fan shape, and the surface of the substantially fan shape is perpendicular to the beam direction axis x, and the center side of the substantially fan shape is oriented toward the orbital side of the charged particle beam 52. Have been placed.
  • the substantially fan shape is defined as a shape that approximates the shape in which the annulus plate is cut out by two straight lines extending in different radial directions from the center.
  • the sensor 14 included in each detector 5-j is arranged on the outer peripheral portion of the shield 12a. As a result, the plurality of sensors 14 are arranged in an arc shape around the orbit of the charged particle beam 52.
  • the plurality of detectors 5-1 to 5-N are arranged at different positions on the beam direction axis x.
  • the detectors 5-1, 5-2, 5-3, ... 5-N are in this order from the back side to the front side, that is, in the positive direction of the beam direction axis x.
  • Each detector is arranged toward it.
  • the sensors 14 included in each of the plurality of detectors 5-1 to 5-N are arranged at different positions along the orbit of the charged particle beam 52.
  • FIGS. 10A, 10B, and 10C show a cross section of the detector 5-1, a cross section of the detector 5-5, and a cross section of the detector 5-N, respectively.
  • x1 ⁇ x5 ⁇ xN there is a relationship of x1 ⁇ x5 ⁇ xN.
  • the detectors 5-1 and the detectors 5-5 and the detectors 5-N are arranged in this order from the negative direction of the beam direction axis x to the positive direction.
  • each detector 5-j is shielded from radiation on the upstream side of the orbit of the charged particle beam 52 as viewed from the sensor 14. It has a structure that increases the effect.
  • the flowchart of the process executed by the control device 20 is such that the process of step S101 of FIG. 6 or FIG. 8 is replaced with the next process. That is, the control unit 20, instead of the processing of step S101 of FIG. 6 or FIG. 8, obtains the radiation count values C 1 ⁇ C N of gamma rays detected by the sensor 14 of the detectors 5-1 ⁇ 5-N Execute the process.
  • the count profile curve can be obtained by irradiating the affected area with the charged particle beam 52 once. Therefore, the position BP of the Bragg peak is quickly obtained.
  • the plurality of detectors 5-1 to 5-N are arranged in an arc shape around the orbit of the charged particle beam 52.
  • the shield 12a included in each detector 5-j is formed in a substantially fan shape, and is arranged so that the narrowed side faces the orbital side of the charged particle beam 52.
  • Each sensor 14 is arranged on the outer peripheral portion of the shield 12a, and the plurality of sensors 14 are arranged in an arc shape around the orbit of the charged particle beam 52.
  • FIG. 11 and 12 show a modified example of the detection unit.
  • FIG. 11 is a view of the detection unit 62 so that the positive direction of the beam direction axis x is the right direction
  • FIG. 12 is a view of the detection unit so that the positive direction of the beam direction axis x faces the front side from the drawing surface. It is the figure which looked at 62.
  • the detection unit 62 includes a plurality of detectors 6-1 to 6-N.
  • the plurality of detectors 6-1 to 6-N are arranged in an arc shape with the concave side facing the irradiation target point side.
  • Each detector 6-j has a set of a sensor 14 and a shield 12b.
  • the shield 12b is formed in a substantially fan shape.
  • the thickness of the shield 12b in the direction perpendicular to the substantially fan-shaped surface becomes thinner toward the center of the substantially fan shape.
  • the plurality of detectors 6-1 to 6-N are arranged at different positions on the beam direction axis x. Each detector is arranged so that a substantially fan-shaped surface faces the shield 12b adjacent to each other and the center side of the substantially fan shape faces the patient 50.
  • the sensor 14 is arranged on the outer peripheral portion of the shield 12b. As a result, the plurality of sensors 14 are arranged in an arc shape with the concave side facing the irradiation target point side.
  • each detector 6-j is shielded from radiation on the upstream side of the orbit of the charged particle beam 52 as viewed from the sensor 14. It has a structure that increases the effect.
  • the detection unit 60 shown in FIG. 9 may be replaced with the detection unit 62 shown in FIGS. 11 and 12. Even when the detection unit 62 is used, the control device 20 and the display device 40 execute the same processing as when the detection unit 60 is used.
  • the controller 20 stores calculated radiation count C j gamma rays detected by the sensor 14 of the detectors 6-j.
  • the control device 20 obtains a count profile curve in which the radiation count value C is associated with each position on the beam direction axis x, and performs the same process as the process executed by the particle beam monitor device 1 according to the first embodiment. Find the position BP of the Bragg peak.
  • the detection unit 62 In the detection unit 62 according to this modification, a plurality of detectors 6-1 to 6-N are used. Therefore, the count profile curve can be obtained by irradiating the irradiation target with the charged particle beam 52 once. As a result, the position BP of the Bragg peak can be quickly obtained.
  • the distances from the patient 50 to each of the plurality of sensors 14 become equal, and the conditions under which the plurality of detectors 6-1 to 6-N detect gamma rays emitted from the tissue of the patient 50 become uniform. As a result, the accuracy of the radiation count value C of gamma rays is improved.
  • the Bragg peak of the charged particle beam 52 is used by using the sensor 14 that detects gamma rays as radiation generated by the interaction between the charged particle beam 52 and the irradiation target.
  • the method of obtaining the position BP of is used.
  • This method includes the following items.
  • the sensor 14 is shielded by a shield having a greater shielding effect on radiation on the upstream side than on the downstream side of the orbit of the charged particle beam 52 when viewed from the sensor 14.
  • (Ii) Detecting radiation by a sensor 14 at a plurality of positions along the trajectory of the charged particle beam 52.
  • (Iii) To obtain a count profile curve showing the radiation count value C for each position along the charged particle beam 52 based on the detected values at a plurality of positions.
  • Iv Obtaining the position BP of the Bragg peak of the charged particle beam 52 based on the count profile curve.
  • the storage device 24 as a storage medium in the control device 20 stores a program for executing processing according to this method.
  • FIG. 13 shows a particle beam therapy system 3 according to an applied embodiment of the present invention.
  • the particle beam therapy system 3 includes a particle beam control device 70, a particle beam irradiation device 80, a detection unit 66, a control device 20, a display device 40, an operation device 82, and a treatment planning device 84.
  • the operation device 82 outputs operation information according to the user's operation to the control device 20 or the particle beam control device 70.
  • the control device 20 and the particle beam control device 70 execute information processing according to the operation information.
  • the operation device 82 may be a keyboard, a mouse, a touch panel attached to the display device 40, or the like.
  • the particle beam control device 70 includes a processor 72 and a storage device 74.
  • the processor 72 may be a computer provided with a CPU, memory, an interface, or the like, or a programmable arithmetic device such as an FPGA.
  • the program is stored in the storage device 74 and is read by the processor 72.
  • the program may be read into the processor 72 from an external computer and installed in the processor 72.
  • the external computer may be one directly connected to the control device 70 or may be connected to a communication line such as the Internet.
  • a part of the processing executed by the particle beam control device 70 may be executed by an external computer.
  • the particle beam control device 70 may incorporate an electronic circuit as hardware in place of the processor 72 or together with the processor 72. Some or all of the processing performed by the particle beam control device 70 may be performed by an electronic circuit as hardware incorporated in the particle beam control device 70.
  • a RAM, a ROM, a hard disk, a USB memory, an SD card, or the like may be used for the storage device 74 included in the particle beam control device 70.
  • the storage device 74 may be a storage on a communication line such as the Internet.
  • the process executed by the particle beam control device 70 may be executed by a plurality of computers that execute the distributed process.
  • the particle beam control device 70 and the control device 20 may be individually configured, or may be integrated by a common processor and a common storage device. Some or all of the processes described below performed by the particle beam control device 70 may be performed by the control device 20 instead of being performed by the particle beam control device 70. Similarly, some or all of the processes described below performed by the control device 20 may be executed by the particle beam control device 70 instead of being executed by the control device 20.
  • Treatment plan data is stored in advance in the storage device 74.
  • the treatment plan data defines the physical conditions for performing particle beam therapy according to the treatment plan. Physical conditions include, for example, conditions for the charged particle beam 52 such as energy and irradiation direction.
  • the control device 20 may read the treatment plan data from the treatment plan device 84, which is an external device, and output the treatment plan data to the particle beam control device 70. In this case, the particle beam control device 70 acquires the treatment plan data from the control device 20 and stores it in the storage device 74.
  • the particle beam control device 70 controls the particle beam irradiation device 80 according to physical conditions based on the treatment plan data.
  • the particle beam irradiation device 80 irradiates the patient 50 with the charged particle beam 52 according to the control by the particle beam control device 70.
  • the detection unit 66 may be the detection unit 60 shown in FIG. 9 or the detection unit 62 shown in FIG.
  • the control device 20 irradiates the patient 50 with the charged particle beam 52, obtains the position BP of the Bragg peak, and obtains the arrival position of the charged particle beam 52.
  • the control device 20 outputs the arrival position of the charged particle beam 52 to the particle beam control device 70. Further, the control device 20 may display the arrival position of the charged particle beam 52 on the display device 40.
  • the particle beam control device 70 obtains a control error indicating a difference between the arrival position of the charged particle beam 52 and the arrival position according to the treatment plan data.
  • the control error may be an absolute value of the arrival position of the charged particle beam 52 minus the arrival position according to the treatment planning data.
  • the particle beam control device 70 updates the treatment plan data stored in the storage device 74 so that the control error approaches 0 or becomes 0.
  • the particle beam control device 70 controls the particle beam irradiation device 80 according to the updated treatment plan data.
  • the particle beam irradiation device 80 irradiates the patient 50 with the next charged particle beam 52 according to the control by the particle beam control device 70.
  • the particle beam control device 70 may control the particle beam irradiation device 80 to stop the irradiation of the charged particle beam 52 to the patient 50.
  • a detection unit 66 having a plurality of detectors is used. Therefore, the count profile curve can be obtained by irradiating the patient 50 with the charged particle beam 52 once. As a result, the arrival position of the charged particle beam 52 can be quickly obtained. Therefore, the physical conditions for the charged particle beam 52 are updated in real time, and the charged particle beam 52 is adaptively irradiated to the patient 50.
  • the control device 20 obtains the arrival position of the charged particle beam 52, and the display device 40 reaches the charged particle beam 52. Display the position.
  • the user may refer to the arrival position of the charged particle beam 52 displayed on the display device 40 and update the treatment plan data stored in the particle beam control device 70. That is, the display device 40 may display the arrival position of the charged particle beam 52, and the particle beam control device 70 may update the treatment plan data stored by itself according to the operation performed by the operation device 82.
  • the irradiation target of the particle beam may be an object simulating a patient's living tissue such as a phantom.
  • the phantom may be used for checking the operation and evaluating the performance of the particle beam monitoring device. Phantoms may also be used to evaluate the effectiveness of particle beam therapy based on treatment planning.
  • the radiation detected by the sensor 14 may be braking radiation or particle beams such as electrons, positrons, protons, and neutrons.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and the present invention includes various modifications.
  • the above-described embodiment is for explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not limited to the one including all the configurations included in the embodiment.
  • a part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment, or the configuration of another embodiment may be added to the configuration of one embodiment.
  • 1, 2, particle beam monitor device, 3 particle beam therapy system 5-1 to 5-N, 6-1 to 6-N, 10 detector, 12, 12a, 12b shield, 14 sensors, 20 control device, 22 , 72 Processors, 24,74 Storage Devices, 30 Mobile Mechanisms, 40 Indicators, 42 Count Profile Curves, 44 Reference Curves, 46 Radiation Count Value Differential Curves, 50 Patients, 52 Charged Particle Beams, 54 Prompt Gamma Rays, 56 Bragg Peaks, 60, 62, 66 detection unit, 70 particle beam control device, 80 particle beam irradiation device, 82 operation device, 84 treatment planning device.

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Abstract

本発明の目的は、荷電粒子ビームが照射された位置を測定する際の測定感度および測定分解能を高めることである。粒子線モニタ装置（１）は、荷電粒子ビーム（５２）と測定対象としての患者（５０）との相互作用により発生する放射線を検出するセンサ（１４）と、センサ（１４）の検出範囲を制限する遮蔽体（１２）とを備えている。遮蔽体（１２）は、センサ（１４）から見て荷電粒子ビーム（５２）の軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きい。

Description

粒子線モニタ装置、粒子線治療システムおよび粒子線モニタ方法
　本発明は、粒子線モニタ装置、粒子線治療システムおよび粒子線モニタ方法に関し、特に、荷電粒子ビームと照射対象との相互作用により発生する放射線を検出する技術に関する。
　陽子線や重粒子線等の荷電粒子ビームを患部に照射する粒子線治療が広く行われている。粒子線治療を行う粒子線治療システムでは、加速器によって必要なエネルギーを有するまで加速された荷電粒子に基づく荷電粒子ビームが、輸送装置によって照射ノズルまで輸送され、照射ノズルから患部に照射される。
　粒子線治療では、照射目標点が患部に設定され、照射目標点に向けて荷電粒子ビームが照射される。一般に、陽子線や重粒子線等の荷電粒子ビームには、患部において止まる直前にエネルギーを患部に与え、患部の組織を破壊するという性質がある。荷電粒子ビームが到達する位置の深さは、荷電粒子のエネルギーに応じて定まる。
　粒子線治療では、荷電粒子ビームが有するこのような性質が利用される。荷電粒子ビームのエネルギーを変更することで荷電粒子ビームの到達位置が調整され、到達位置における組織が破壊される。放射線治療に際しては、荷電粒子ビームの到達位置を確認する必要がある。荷電粒子ビームの到達位置を確認するため、荷電粒子ビームの深さ方向（荷電粒子ビームの軌道方向）への線量分布を計測する技術が従来から提案されている。
　例えば、特許文献１には、荷電粒子ビームの深さ方向への線量分布を計測する深さ方向線量分布測定装置が記載されている。この装置は、粒子線の一部を通過させるコリメータと、コリメータを通過しない残りの粒子線の一部をコリメータの上流側で検出する深さ方向線量分布検出器とを備えている。コリメータを通過した粒子線の一部が患者に照射され、深さ方向線量分布検出器によって検出された粒子線によって、粒子線の深さ方向への線量分布が計測される。
　また、荷電粒子ビームと照射対象との相互作用によって発生する放射線を計測することで、深さ方向線量分布を計測する方法もある。例えば、非特許文献１に記載されている方法では、コリメータを使用したガンマカメラによって、荷電粒子ビームの照射により発生した即発ガンマ線の深さ方向への線量分布が計測され、ブラッグピークの位置が求められる。ここで、ブラッグピークは、ある値のエネルギーを有する荷電粒子ビームについての、深さ方向への線量分布のピークとして定義される。ブラッグピークの位置が荷電粒子ビームの到達位置に相当する。
特開２０１２－２７７２号公報
Ｉ. Ｐｅｒａｌｉ, ｅｔ. ａｌ., Ｐｒｏｍｐｔ ｇａｍｍａ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ　ｐｅｎｃｉｌ ｂｅａｍｓ ａｔ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｄｏｓｅ ｒａｔｅ, Ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ ５９ (１９) (２０１４) ５８４９.
　従来の粒子線治療システムでは、荷電粒子ビームが照射された位置を十分な感度および分解能で測定することが困難であった。例えば非特許文献１に記載の技術では、コリメータの径を大きくすると即発ガンマ線に対する感度が高くなるが、荷電粒子ビームが照射された位置の測定分解能が低下するという問題がある。
　本発明の目的は、荷電粒子ビームが照射された位置を測定する際の測定感度および測定分解能を高めることである。
　本発明は、荷電粒子ビームと照射対象との相互作用により発生する放射線を検出するセンサと、前記センサの検出範囲を制限する遮蔽体と、を備え、前記遮蔽体は、前記センサから見て前記荷電粒子ビームの軌道の下流側よりも上流側の方が、前記放射線に対する遮蔽効果が大きいことを特徴とする。　
　本発明によれば、荷電粒子ビームが照射された位置を測定する際の測定感度および測定分解能を高めることができる。
本発明の第１実施形態に係る粒子線モニタ装置を示す図である。 センサの位置と検出感度との関係を概念的に示す図である。 ビーム方向軸ｘ方向への線量分布を概念的に示す図である。 カウントプロファイル曲線を示す図である。 カウントプロファイル曲線に加えて基準曲線を示す図である。 制御装置が実行する処理のフローチャートである。 放射線カウント値微分曲線を示す図である。 制御装置が実行する処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る粒子線モニタ装置を示す図である。 検出ユニットの断面図である。 検出ユニットの断面図である。 検出ユニットの断面図である。 検出ユニットの変形例を示す図である。 検出ユニットの変形例を示す図である。 本発明の応用実施形態に係る粒子線治療システムを示す図である。
　本発明の各実施形態が、図面を参照しながら以下に説明される。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号が付されており、説明の重複が避けられている。
　図１には、本発明の第１実施形態に係る粒子線モニタ装置１の構成が模式的に示されている。粒子線モニタ装置１は、検出器１０、制御装置２０、移動機構３０および表示装置４０を備えている。検出器１０は、センサ１４および遮蔽体１２を備えている。
　粒子線モニタ装置１では、図示されていない粒子ビーム照射装置から照射対象である患者５０に荷電粒子ビーム５２が照射される。患者５０からは、荷電粒子ビーム５２と患者５０の生体組織との相互作用によって即発ガンマ線５４が発せられる。以下の説明では、即発ガンマ線５４は、単にガンマ線５４と称される。荷電粒子ビーム５２に沿った複数の位置でガンマ線５４が検出され、検出されたガンマ線５４に基づいて、荷電粒子ビーム５２の到達位置が求められる。
　センサ１４はガンマ線５４を検出する。センサ１４は、シンチレータおよびシンチレータから発せられた光を電子信号に変換する光電変換器から構成されてよい。シンチレータとしては、例えば、ＬａＢｒ３、ＧＳＯ、ＬＹＳＯおよびＢＧＯ等が用いられてよい。また、光電変換器としては、例えば、光電子増倍管、フォトダイオード等が用いられてよい。
　センサ１４はこれらのシンチレータまたは光電変換器に限定されるものではない。センサ１４には、異なる組成の放射線発光素材が用いられてもよい。また、センサ１４には、例えばＣｄＴｅやＣＺＴ等の半導体検出器が用いられてもよい。この場合、センサ１４は、光電変換器の代わりに前置増幅器を備える。
　遮蔽体１２は、例えば、鉛または鉛を含む材料によって形成される。遮蔽体１２は、センサ１４の検出範囲を制限する。センサ１４の検出範囲は、荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側を大きく制限するものである。すなわち、遮蔽体１２は、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きい。遮蔽体１２は、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側を遮蔽しなくてもよい。
　移動機構３０は、制御装置２０の制御に応じて検出器１０を荷電粒子ビーム５２の軌道に沿って移動させる。荷電粒子ビーム５２の軌道に沿った方向については、荷電粒子ビーム５２の進行方向に向けられたビーム方向軸ｘが定義されている。ビーム方向軸ｘの正方向は、患者５０においては深さ方向に相当する。検出器１０は、移動機構３０によって、ビーム方向軸ｘに沿った複数の位置のそれぞれに配置され得る。これによって、センサ１４は、荷電粒子ビーム５２の軌道に沿った異なる複数の位置でガンマ線５４を検出し得る。
　制御装置２０は、プロセッサ２２および記憶デバイス２４を備えている。プロセッサ２２は、記憶デバイス２４に記憶されたプログラムを読み込む。プロセッサ２２はプログラムを実行し、センサ１４から出力される検出信号に基づいて荷電粒子ビーム５２のビーム方向軸ｘにおける到達位置を求める。また、プロセッサ２２は、プログラムを実行することで、移動機構３０を制御し、あるいは表示装置４０に情報を表示させる。
　プロセッサ２２は、ＣＰＵ（Central Procesing Unit）やメモリ、インターフェース等を備えたコンピュータや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラム可能な演算デバイスであってよい。プログラムは記憶デバイス２４に記憶されており、プロセッサ２２によって読み出される。
　また、プログラムは、外部に設けられたコンピュータからプロセッサ２２に読み込まれ、プロセッサ２２にインストールされてもよい。外部のコンピュータは、制御装置２０に直接接続されたものでもよいし、インターネット等の通信回線に接続されたものでもよい。制御装置２０が実行する処理の一部は、外部のコンピュータが実行してもよい。
　また、制御装置２０には、プロセッサ２２に代えて、またはプロセッサ２２と共にハードウエアとしての電子回路が組み込まれてもよい。制御装置２０が実行する処理のうちの一部または全部は、制御装置２０に組み込まれたハードウエアとしての電子回路によって実行されてもよい。
　制御装置２０が備える記憶デバイス２４には、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード等が用いられてよい。記憶デバイス２４は、インターネット等の通信回線上にあるストレージであってもよい。制御装置２０が実行する処理は、分散処理を実行する複数のコンピュータによって実行されてもよい。
　図２には、センサ１４のビーム方向軸ｘにおける位置ｘと、検出感度Ｓとの関係が概念的に示されている。検出感度Ｓは、例えば、ビーム方向軸ｘ上のガンマ線放出強度が一定（荷電粒子ビームにより発生したガンマ線強度が一定）であると仮定したときのセンサ１４の検出信号レベルとして定義される。ビーム方向軸ｘにおけるｘ＝ＸＳの位置は、センサ１４が配置された位置に対応する。センサ１４の検出感度Ｓは、ｘ＞ＸＳの上流側領域において０でない値を有し、ｘ≦ＸＳの下流側領域において、ビーム方向軸ｘの負方向に向かうにつれて減少する。
　センサ１４の位置ｘと検出感度Ｓとの関係を図２に示されているような関係とするため、検出器１０の構造は、上流側領域に遮蔽体１２が設けられ、下流側領域には遮蔽体１２が設けられていない構造であってよい。
　遮蔽体１２は、上流側領域に対して検出感度Ｓが完全に０とならなくてもよい。また、遮蔽体１２は、下流側領域に対して遮蔽効果があってもよい。すなわち、遮蔽体１２は、センサ１４から見て荷電粒子ビームの軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きい構造を有していればよい。
　遮蔽体１２の材質は鉛に限定されない。遮蔽体１２の材質は、センサ１４の検出範囲が制限されるように放射線を遮蔽する程度に、質量数が大きく密度の高い物質であってよい。遮蔽体１２の材質は、例えばタングステン等であってもよい。
　図３には、ビーム方向軸ｘ方向への線量分布が概念的に示されている。この分布は、照射目標点に荷電粒子ビームを１回だけ照射した場合において、ビーム方向軸ｘにおける各位置に線量Γを対応付けたものである。ビーム方向軸ｘ方向への線量分布は、荷電粒子ビームのエネルギーに応じた位置で極大となる。線量分布が極大になる位置ＢＰはブラッグピーク５６と定義される。
　放射線治療では、荷電粒子ビームのエネルギーが変化すると、線量分布が極大になる位置、すなわち荷電粒子ビームの到達位置が変化するという荷電粒子ビームの性質が利用される。一般に、荷電粒子ビームは、エネルギーが高い程、体内のより深い位置まで到達する。
　この性質に基づいて、放射線治療では、線量分布が極大になるブラッグピークの位置ＢＰが患部における照射目標点の位置に一致するように、荷電粒子ビームのエネルギーが設定される。荷電粒子ビームが照射目標点に向けて照射されたときに、粒子線モニタ装置１は、線量分布に基づいて荷電粒子ビーム５２の到達位置を計測する。荷電粒子の到達位置は制御装置２０に記憶され、あるいは、表示装置４０に表示される。ユーザは、表示装置４０に表示された情報によって、照射目標点に荷電粒子ビーム５２が到達したか否かを確認してもよい。
　粒子線モニタ装置１がブラッグピークの位置ＢＰを計測し、荷電粒子ビーム５２の到達位置を計測する処理が、図１と共に図４～図８を適宜参照して以下に説明される。ここでは、ある１つの照射目標点に荷電粒子ビーム５２が複数Ｎ回に亘って照射される場合の処理が取り上げられる。
　センサ１４は、自らに向けて到来したガンマ線５４を検出し、ガンマ線５４が検出されたことを示す検出信号を制御装置２０に出力する。制御装置２０は、センサ１４から出力された検出信号に基づいて、ガンマ線５４についての放射線カウント値を求める。放射線カウント値は、ガンマ線５４が検出された頻度を表す。
　粒子線モニタ装置１は、以下に説明されるように、複数Ｎ回の照射のそれぞれについて、検出器１０を異なる位置に配置する。複数Ｎ回の照射のそれぞれに対しては、検出器１０を配置すべき位置として、ビーム方向軸ｘにおける検出位置ｘ＝ｘ１～ｘＮが予め定められ、記憶デバイス２４に記憶されている。ただし、検出器１０の位置は、センサ１４の位置として定義されている。
　１つの照射目標点に第１回目の照射がされる前に、移動機構３０は第１回目の照射に対応する位置ｘ＝ｘ１に検出器１０を配置する。照射目標点に第１回目の照射がされると共に、制御装置２０のプロセッサ２２は、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値Ｃ１を求め記憶デバイス２４に記憶させる。
　第１回目の照射がされた後、第２回目の照射がされる前に、移動機構３０は第２回目の照射に対応する位置ｘ＝ｘ２に検出器１０を配置する。照射目標点に第２回目の照射がされると共に、制御装置２０のプロセッサ２２は、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値Ｃ２を求め記憶デバイス２４に記憶させる。
　・・・・・第Ｎ－１回目の照射がされた後、第Ｎ回目の照射がされる前に、移動機構３０は第Ｎ回目の照射に対応する位置ｘ＝ｘＮに検出器１０を配置する。照射目標点に第Ｎ回目の照射がされると共に、制御装置２０のプロセッサ２２は、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値ＣＮを求め記憶デバイス２４に記憶させる。
　このように、第ｉ回目の照射がされる前に、移動機構３０は第ｉ回目の照射に対応する位置ｘ＝ｘｉに検出器１０を配置する。照射目標点に第ｉ回目の照射がされると共に、制御装置２０のプロセッサ２２は、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値Ｃｉを求め、記憶デバイス２４に記憶させる。ここで、ｉは１～Ｎのうちいずれかの整数である。
　プロセッサ２２は、ビーム方向軸ｘにおける各位置に対して放射線カウント値Ｃを対応付けたカウントプロファイル曲線を求める。カウントプロファイル曲線は、荷電粒子ビーム５２に沿った各位置に対する放射線カウント値を示す。図４にはカウントプロファイル曲線４２が示されている。カウントプロファイル曲線４２は、ビーム方向軸ｘの正方向に向かって次のように放射線カウント値Ｃが変化するような曲線である。
　すなわち、ブラッグピークの位置ＢＰよりも上流側では、ビーム方向軸ｘの正方向に向かうにつれて緩やかに放射線カウント値Ｃが減少し、ブラッグピークの位置ＢＰ近傍では、ビーム方向軸ｘの正方向に向かって急峻に放射線カウント値Ｃが減少する。そして、ブラッグピークの位置ＢＰよりも下流側では、再びビーム方向軸ｘの正方向に向かうにつれて緩やかに放射線カウント値Ｃが減少する。
　記憶デバイス２４には、基準曲線を表す基準データが記憶されている。基準データは、プロセッサ２２によって読み込まれる。基準曲線は、基準位置ｘ＝ｘ０を照射目標点の位置としたときのカウントプロファイル曲線として定義される。図５にはカウントプロファイル曲線４２に加えて基準曲線４４が示されている。
　プロセッサ２２は、基準曲線４４の位置とカウントプロファイル曲線４２の位置との相違に基づいてブラッグピークの位置ＢＰを求める。具体的にプロセッサ２２は、基準曲線４４に対するカウントプロファイル曲線４２のビーム方向軸ｘ方向へのシフト量Δを求め、ＢＰ＝ｘ０＋Δに従ってブラッグピークの位置ＢＰ、すなわち、荷電粒子ビーム５２の到達位置を求める。プロセッサ２２は、荷電粒子ビーム５２の到達位置を表示装置４０に表示させる。
　シフト量Δを求める処理は、次のような相関演算によって行われてよい。プロセッサ２２は、ビーム方向軸ｘにおける各位置に対して求められた放射線カウント値Ｃｉ（ｉ＝１～Ｎ）に基づいて、カウントプロファイル曲線４２を表すカウントプロファイル関数ｆ（ｘ）を求める。また、記憶デバイス２４は基準関数データを予め記憶している。基準関数データは、基準曲線４４を表す基準関数ｇ（ｘ）を示すデータである。プロセッサ２２は、記憶デバイス２４から基準関数データを読み込む。
　プロセッサ２２は、カウントプロファイル関数ｆ（ｘ）をビーム方向軸ｘ上でαだけシフトした関数ｆ（ｘ－α）、および基準関数ｇ（ｘ）に対して相関演算を行うことで相関係数ｒ（α）を求める。プロセッサ２２は、さらに、相関係数ｒ（α）が最大値となるときまたは所定の閾値以上となるときのαをαｍとして求め、シフト量ΔをΔ＝αｍとする。
　相関演算によって求められる相関係数ｒ（α）は、２つの関数ｆ（ｘ－α）およびｇ（ｘ）が近似している度合いを示す。相関係数ｒ（α）は、例えば０以上１以下の値によって表されてよい。
　図６には、制御装置２０が実行する処理のフローチャートが示されている。制御装置２０は、照射目標点に対するＮ回の照射のそれぞれについて、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値Ｃを求める（Ｓ１０１）。制御装置２０は、Ｎ回の照射に対して求められた放射線カウント値Ｃ１～ＣＮに基づいてカウントプロファイル曲線を求める（Ｓ１０２）。
　制御装置２０は、基準曲線に対するカウントプロファイル曲線のビーム方向軸ｘ方向へのシフト量Δを求める（Ｓ１０３）。制御装置２０は、さらに、基準位置にシフト量Δを加算してブラッグピークの位置ＢＰを、荷電粒子ビーム５２の到達位置として求める（Ｓ１０４）。
　基準曲線の位置とカウントプロファイル曲線の位置の相違に基づいてブラッグピークの位置ＢＰを求める処理はプログラムに基づく数値計算に帰着される。そのため、プロセッサ２２によって処理が迅速に行われる。
　なお、制御装置２０は、荷電粒子ビーム５２の進行方向に対するカウントプロファイル曲線の傾きに基づいて、ブラッグピークの位置ＢＰを求めてもよい。すなわち、制御装置２０は、カウントプロファイル曲線の微分値に基づいて、ブラッグピークの位置ＢＰを求めてもよい。カウントプロファイル曲線の微分値ｄｊは、第ｊ回目の放射線カウント値Ｃｊから第ｊ－１回目の放射線カウント値Ｃｊ－１を減算した差分値である。すなわち、微分値ｄｊは、ｄｊ＝Ｃｊ－Ｃｊ－１に従って求められる。ただし、ｊは、２～Ｎのうちいずれかの整数である。
　制御装置２０のプロセッサ２２は、ビーム方向軸ｘにおける各位置に対してカウントプロファイル曲線の微分値を対応付けた放射線カウント値微分曲線を求める。図７には放射線カウント値微分曲線４６が示されている。ただし、図７には放射線カウント値微分曲線４６の微分値の極性を反転したものが示されている。プロセッサ２２は、放射線カウント値微分曲線４６によって示される微分値の大きさが最大値となるとき、または所定の閾値以上となるときのビーム方向軸ｘにおける位置を、ブラッグピークの位置ＢＰとして求める。
　図８には、カウントプロファイル曲線の微分値に基づいて、制御装置２０が荷電粒子ビーム５２の到達位置を求める処理のフローチャートが示されている。制御装置２０は、照射目標点に対するＮ回の照射のそれぞれについて、センサ１４で検出されたガンマ線５４の放射線カウント値Ｃを求める（Ｓ２０１）。
　制御装置２０は、Ｎ回の照射に対して求められた放射線カウント値Ｃ１～ＣＮに基づいて放射線カウント値微分曲線を求める（Ｓ２０２）。制御装置２０は、さらに、放射線カウント値微分曲線によって示される微分値の大きさが最大値となるとき、または所定の閾値以上となるときのビーム方向軸ｘにおける位置を、ブラッグピークの位置ＢＰとして求め、荷電粒子ビーム５２の到達位置を求める（Ｓ２０３）。
　荷電粒子ビーム５２の進行方向に対するカウントプロファイル曲線の傾きに基づいて、ブラッグピークの位置ＢＰを求める処理はプログラムに基づく数値計算に帰着される。そのため、プロセッサ２２によって処理が迅速に行われる。
　図３に示されているように、ブラッグピーク５６よりも上流側では、線量Γは、ビーム方向軸ｘの正方向に向かうにつれて緩やかに増加してブラッグピーク５６に到達する。一方、ブラッグピーク５６よりも下流側では、線量Γは、ビーム方向軸ｘの正方向に向かうと共に線量Γが急峻に低下する。
　このような線量分布では、センサ１４よりも上流側から到来するガンマ線５４の線量を放射線カウント値Ｃに寄与させると、カウントプロファイル曲線が理想的な曲線と近似しない場合がある。ここで、理想的な曲線は、基準曲線または基準曲線をビーム方向軸ｘ方向にシフトした曲線である。この場合、ブラッグピークの位置ＢＰを十分な分解能で求めることが困難となってしまうことがある。
　本実施形態に係る粒子線モニタ装置１には、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側の方が、ガンマ線５４に対する遮蔽効果が大きい遮蔽体１２が用いられている。したがって、下流側領域から到来するガンマ線５４の方が、上流側領域から到来するガンマ線５４よりも、放射線カウント値Ｃに対する寄与が大きい。これによって、カウントプロファイル曲線が理想的な曲線に近くなり、ブラッグピークの位置ＢＰが十分な分解能で求められ、荷電粒子ビームが照射された位置（荷電粒子ビームの到達位置）が十分な分解能で求められる。
　さらに、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側について、ガンマ線５４の遮蔽効果を小さくすることで、センサ１４において検出されるガンマ線が多くなり、ブラッグピークの位置ＢＰを求める際の感度が向上する。これによって、荷電粒子ビームの到達位置、すなわち、荷電粒子ビームが照射された位置を求める際の感度が向上する。
　図９には、本発明の第２実施形態に係る粒子線モニタ装置２の構成が模式的に示されている。粒子線モニタ装置２は、検出ユニット６０、制御装置２０および表示装置４０を備えている。粒子線モニタ装置２は、図１に示される粒子線モニタ装置１における検出器１０が検出ユニット６０に置き換えられたものである。検出ユニット６０は、複数Ｎ個の検出器５－１～５－Ｎを備えている。各検出器５－ｊ（ｊは１～Ｎのうちのいずれかの整数）は、センサ１４および遮蔽体１２ａの組を有する。
　複数の検出器５－１～５－Ｎは、荷電粒子ビーム５２の軌道から見て所定の方位角間隔で配置されている。各検出器５－ｊが備える遮蔽体１２ａは略扇形に形成されており、略扇形の面がビーム方向軸ｘに垂直となり、略扇形の中心側が荷電粒子ビーム５２の軌道側に向けられる姿勢で配置されている。ここで、略扇形は、中心から異なる径方向に伸びる２本の直線によって円環板が切り取られた形状に近似した形状として定義される。各検出器５－ｊが備えるセンサ１４は、遮蔽体１２ａの外周部に配置されている。これによって、複数のセンサ１４が、荷電粒子ビーム５２の軌道の周囲に弧形状に配置される。
　複数の検出器５－１～５－Ｎは、ビーム方向軸ｘにおける異なる位置に配置されている。図９に示されている例では、検出器５－１、５－２、５－３、・・・・・５－Ｎの順に奥側から手前側、すなわち、ビーム方向軸ｘの正方向に向けて各検出器が配置されている。これによって、複数の検出器５－１～５－Ｎのそれぞれが備えるセンサ１４は、荷電粒子ビーム５２の軌道に沿った異なる位置に配置される。
　図１０Ａ～図１０Ｃには、それぞれ、図９に示されるＡＡ線断面、ＢＢ線断面およびＤＤ線断面が示されている。すなわち、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃには、それぞれ、検出器５－１の断面、検出器５－５の断面および検出器５－Ｎの断面が示されている。検出器５－１、検出器５－５および検出器５－Ｎは、それぞれ、ビーム方向軸ｘにおける位置ｘ＝ｘ１，ｘ＝ｘ５およびｘ＝ｘＮに配置されている。ここで、ｘ１＜ｘ５＜ｘＮの関係がある。このように、検出器５－１、検出器５－５および検出器５－Ｎは、ビーム方向軸ｘの負方向から正方向に向けて、この順序で配置されている。
　第１実施形態に係る検出器１０と同様に、各検出器５－ｊの遮蔽体１２ａは、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きくなるような構造を有している。
　制御装置２０の記憶デバイス２４には、検出器５－１～５－Ｎのそれぞれのビーム方向軸ｘにおける位置ｘ＝ｘ１～ｘＮが予め記憶されている。荷電粒子ビーム５２が患部に照射されると共に、制御装置２０は、各検出器５－ｊのセンサ１４で検出されたガンマ線の放射線カウント値Ｃｊを求め記憶する。制御装置２０は、ビーム方向軸ｘにおける各位置に対して放射線カウント値Ｃを対応付けたカウントプロファイル曲線を求め、第１実施形態に係る粒子線モニタ装置１が実行する処理と同様の処理によって、ブラッグピークの位置ＢＰを求める。
　制御装置２０が実行する処理のフローチャートは、図６または図８のステップＳ１０１の処理が、次の処理に置き換えられたものとなる。すなわち、制御装置２０は、図６または図８のステップＳ１０１の処理の代わりに、各検出器５－１～５－Ｎのセンサ１４で検出されたガンマ線の放射線カウント値Ｃ１～ＣＮを求める処理を実行する。
　本実施形態に係る粒子線モニタ装置２では、複数の検出器５－１～５－Ｎが用いられている。そのため、患部に対する１回の荷電粒子ビーム５２の照射によってカウントプロファイル曲線が求められる。そのため、ブラッグピークの位置ＢＰが迅速に求められる。
　また、複数の検出器５－１～５－Ｎは、荷電粒子ビーム５２の軌道の周囲に弧形状に配置されている。各検出器５－ｊが備える遮蔽体１２ａは略扇形に形成されており、窄まった側を荷電粒子ビーム５２の軌道側に向けて配置されている。各センサ１４は、遮蔽体１２ａの外周部に配置されており、複数のセンサ１４は、荷電粒子ビーム５２の軌道の周囲に弧形状に配置されている。
　したがって、荷電粒子ビーム５２の軌道から複数の検出器５－１～５－Ｎのそれぞれにおけるセンサ１４までの距離が均等となり、複数の検出器５－１～５－Ｎがガンマ線を検出する条件が均等となる。これによって、ガンマ線の放射線カウント値Ｃの精度が向上する。
　図１１および図１２には、検出ユニットの変形例が示されている。図１１は、ビーム方向軸ｘの正方向が右方向となるように検出ユニット６２を眺めた図であり、図１２はビーム方向軸ｘの正方向が描画面から手前側に向かうように検出ユニット６２を眺めた図である。
　検出ユニット６２は、複数の検出器６－１～６－Ｎを備えている。複数の検出器６－１～６－Ｎは、照射目標点側に凹んだ側が向けられた弧形状に配置されている。各検出器６－ｊは、センサ１４および遮蔽体１２ｂの組を有する。遮蔽体１２ｂは略扇形に形成されている。
　略扇形の面に垂直な方向への遮蔽体１２ｂの厚みは、略扇型の中心に向かうにつれて薄くなっている。複数の検出器６－１～６－Ｎは、ビーム方向軸ｘにおける異なる位置に配置されている。各検出器は、互いに隣接する遮蔽体１２ｂに略扇形の面が対向し、略扇形の中心側が患者５０に向けられる姿勢で配置されている。センサ１４は、遮蔽体１２ｂの外周部に配置されている。これによって、複数のセンサ１４が、照射目標点側に凹んだ側が向けられた弧形状に配置されている。
　第１実施形態に係る検出器１０と同様に、各検出器６－ｊの遮蔽体１２ｂは、センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きくなるような構造を有している。
　図９に示された検出ユニット６０は、図１１および図１２に示された検出ユニット６２に置き換えられてよい。検出ユニット６２が用いられた場合であっても、制御装置２０および表示装置４０は、検出ユニット６０が用いられた場合と同様の処理を実行する。
　すなわち、制御装置２０の記憶デバイス２４には、検出器６－１～６－Ｎのそれぞれのビーム方向軸ｘにおける位置ｘ＝ｘ１～ｘＮが予め記憶されている。荷電粒子ビーム５２が患者５０に照射されると共に、制御装置２０は、各検出器６－ｊのセンサ１４で検出されたガンマ線の放射線カウント値Ｃｊを求め記憶する。制御装置２０は、ビーム方向軸ｘにおける各位置に対して放射線カウント値Ｃを対応付けたカウントプロファイル曲線を求め、第１実施形態に係る粒子線モニタ装置１が実行する処理と同様の処理によって、ブラッグピークの位置ＢＰを求める。
　本変形例に係る検出ユニット６２では、複数の検出器６－１～６－Ｎが用いられている。そのため、照射対象に対する１回の荷電粒子ビーム５２の照射によってカウントプロファイル曲線が求められる。これによって、ブラッグピークの位置ＢＰが迅速に求められる。
　また、複数の検出器６－１～６－Ｎは、照射目標点側に凹んだ側が向けられた弧形状に配置されている。各検出器６－ｊは、互いに隣接する遮蔽体１２ｂに略扇形の面が対向し、略扇形の中心側が患者５０に向けられる姿勢で配置されている。センサ１４は遮蔽体１２ｂの外周部に配置されており、複数のセンサ１４は、照射目標点側に凹んだ側が向けられた弧形状に配置されている。
　したがって、患者５０から複数のセンサ１４のそれぞれまでの距離が均等となり、複数の検出器６－１～６－Ｎが、患者５０の組織から発せられるガンマ線を検出する条件が均一となる。これによって、ガンマ線の放射線カウント値Ｃの精度が向上する。
　このように、上記の各実施形態に係る粒子線モニタ装置では、荷電粒子ビーム５２と照射対象との相互作用により発生する放射線としてガンマ線を検出するセンサ１４を用いて、荷電粒子ビーム５２のブラッグピークの位置ＢＰを求める方法が用いられている。
　この方法は、次の事項を含んでいる。（ｉ）センサ１４から見て荷電粒子ビーム５２の軌道の下流側よりも上流側の方が、放射線に対する遮蔽効果が大きい遮蔽体によってセンサ１４を遮蔽すること。（ｉｉ）荷電粒子ビーム５２の軌道に沿った複数の位置でセンサ１４によって放射線を検出すること。（ｉｉｉ）複数の位置における検出値に基づいて、荷電粒子ビーム５２に沿った各位置に対する放射線カウント値Ｃを示すカウントプロファイル曲線を求めること。（ｉｖ）カウントプロファイル曲線に基づいて、荷電粒子ビーム５２のブラッグピークの位置ＢＰを求めること。
　制御装置２０における記憶媒体としての記憶デバイス２４には、この方法に従った処理を実行するためのプログラムが記憶される。
　図１３には、本発明の応用実施形態に係る粒子線治療システム３が示されている。粒子線治療システム３は、粒子ビーム制御装置７０、粒子ビーム照射装置８０、検出ユニット６６、制御装置２０、表示装置４０、操作装置８２および治療計画装置８４を備えている。
　操作装置８２は、ユーザの操作に従う操作情報を制御装置２０または粒子ビーム制御装置７０に出力する。制御装置２０および粒子ビーム制御装置７０は、操作情報に従った情報処理を実行する。操作装置８２は、キーボード、マウス、表示装置４０に取り付けられたタッチパネル等であってよい。
　粒子ビーム制御装置７０は、プロセッサ７２および記憶デバイス７４を備えている。プロセッサ７２は、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えたコンピュータや、ＦＰＧＡ等のプログラム可能な演算デバイスであってよい。プログラムは、記憶デバイス７４に記憶されており、プロセッサ７２によって読み出される。
　また、プログラムは、外部に設けられたコンピュータからプロセッサ７２に読み込まれ、プロセッサ７２にインストールされてもよい。外部のコンピュータは、制御装置７０に直接接続されたものでもよいし、インターネット等の通信回線に接続されたものでもよい。粒子ビーム制御装置７０が実行する処理の一部は、外部のコンピュータが実行してもよい。
　また、粒子ビーム制御装置７０には、プロセッサ７２に代えて、またはプロセッサ７２と共にハードウエアとしての電子回路が組み込まれてもよい。粒子ビーム制御装置７０が実行する処理のうちの一部または全部は、粒子ビーム制御装置７０に組み込まれたハードウエアとしての電子回路によって実行されてもよい。
　粒子ビーム制御装置７０が備える記憶デバイス７４には、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード等が用いられてよい。記憶デバイス７４は、インターネット等の通信回線上にあるストレージであってもよい。粒子ビーム制御装置７０が実行する処理は、分散処理を実行する複数のコンピュータによって実行されてもよい。
　粒子ビーム制御装置７０および制御装置２０は個別に構成されてもよいし、共通のプロセッサおよび共通の記憶デバイスによって一体化されてもよい。粒子ビーム制御装置７０が実行する後述の処理のうちの一部または全部は、粒子ビーム制御装置７０が実行する代わりに制御装置２０が実行してもよい。同様に、制御装置２０が実行する後述の処理のうち一部または全部は、制御装置２０が実行する代わりに粒子ビーム制御装置７０が実行してもよい。
　記憶デバイス７４には、治療計画データが予め記憶されている。治療計画データは、治療計画に従って粒子線治療を行う場合の物理的条件を定める。物理的条件には、例えば、エネルギーや照射方向等の荷電粒子ビーム５２についての条件がある。制御装置２０は、外部の装置である治療計画装置８４から治療計画データを読み込み、粒子ビーム制御装置７０に出力してよい。この場合、粒子ビーム制御装置７０は、制御装置２０から治療計画データを取得し、記憶デバイス７４に記憶させる。
　粒子ビーム制御装置７０は、治療計画データに基づく物理的条件に従って、粒子ビーム照射装置８０を制御する。粒子ビーム照射装置８０は、粒子ビーム制御装置７０による制御に従って、荷電粒子ビーム５２を患者５０に照射する。
　検出ユニット６６は、図９に示された検出ユニット６０または図１１に示された検出ユニット６２であってよい。制御装置２０は、患者５０に対して荷電粒子ビーム５２が照射されると共に、ブラッグピークの位置ＢＰを求め、荷電粒子ビーム５２の到達位置を求める。制御装置２０は、荷電粒子ビーム５２の到達位置を粒子ビーム制御装置７０に出力する。また、制御装置２０は、荷電粒子ビーム５２の到達位置を表示装置４０に表示させてもよい。
　粒子ビーム制御装置７０は、荷電粒子ビーム５２の到達位置と、治療計画データに従う到達位置との差異を示す制御誤差を求める。制御誤差は、荷電粒子ビーム５２の到達位置から、治療計画データに従う到達位置を減算した値の絶対値であってよい。粒子ビーム制御装置７０は、制御誤差が０に近付くか、あるいは０となるように記憶デバイス７４に記憶された治療計画データを更新する。
　粒子ビーム制御装置７０は、更新された治療計画データに従って、粒子ビーム照射装置８０を制御する。粒子ビーム照射装置８０は、粒子ビーム制御装置７０による制御に従って、次の荷電粒子ビーム５２を患者５０に照射する。粒子ビーム制御装置７０は、制御誤差が予め定められた閾値を超えるときは、粒子ビーム照射装置８０を制御し、患者５０に対する荷電粒子ビーム５２の照射を停止させてもよい。
　本実施形態に係る粒子線治療システム３では、複数の検出器を有する検出ユニット６６が用いられている。そのため、患者５０に対する１回の荷電粒子ビーム５２の照射によってカウントプロファイル曲線が求められる。これによって、荷電粒子ビーム５２の到達位置が迅速に求められる。したがって、荷電粒子ビーム５２についての物理的条件がリアルタイムに更新され、適応的に荷電粒子ビーム５２が患者５０に照射される。
　上記では、複数の検出器を備える検出ユニット６６を用いてガンマ線を検出する実施形態が示された。検出ユニット６６に代えて、図１に示される検出器１０および移動機構３０が用いられてもよい。この場合、同一の照射目標点に対して複数回に亘って荷電粒子ビーム５２が照射された後に、制御装置２０が荷電粒子ビーム５２の到達位置を求め、表示装置４０に荷電粒子ビーム５２の到達位置を表示する。
　ユーザは、表示装置４０に表示された荷電粒子ビーム５２の到達位置を参照し、粒子ビーム制御装置７０に記憶された治療計画データを更新してもよい。すなわち、表示装置４０が荷電粒子ビーム５２の到達位置を表示すると共に、粒子ビーム制御装置７０は、操作装置８２において行われた操作に従って、自らが記憶する治療計画データを更新してもよい。
　なお、上記の各実施形態では、粒子線ビームの照射対象を患者とした場合が説明された。照射対象は、ファントム等、患者の生体組織を模擬した物体であってもよい。ファントムは、粒子線モニタ装置の動作確認や性能評価に用いられてよい。また、ファントムは、治療計画に基づく粒子線治療の効果を評価するために用いられてよい。
　また、上記では、荷電粒子ビーム５２と患者５０の生体組織との相互作用によって発生した即発ガンマ線をセンサ１４が検出する実施形態が説明された。センサ１４が検出する放射線は、制動放射線や、電子、陽電子、陽子、中性子等の粒子線であってもよい。
　本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明には様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するためのものであり、本発明は、実施形態に含まれる全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部が他の実施形態の構成に置き換えられてもよく、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成が加えられてもよい。
　１，２　粒子線モニタ装置、３　粒子線治療システム、５－１～５－Ｎ，６－１～６－Ｎ，１０　検出器、１２，１２ａ，１２ｂ　遮蔽体、１４　センサ、２０　制御装置、２２，７２　プロセッサ、２４，７４　記憶デバイス、３０　移動機構、４０　表示装置、４２　カウントプロファイル曲線、４４　基準曲線、４６　放射線カウント値微分曲線、５０　患者、５２　荷電粒子ビーム、５４　即発ガンマ線、５６　ブラッグピーク、６０，６２，６６　検出ユニット、７０　粒子ビーム制御装置、８０　粒子ビーム照射装置、８２　操作装置、８４　治療計画装置。
 

Claims (11)

  1. 　荷電粒子ビームと照射対象との相互作用により発生する放射線を検出するセンサと、
    　前記センサの検出範囲を制限する遮蔽体と、を備え、
    　前記遮蔽体は、前記センサから見て前記荷電粒子ビームの軌道の下流側よりも上流側の方が、前記放射線に対する遮蔽効果が大きいことを特徴とする粒子線モニタ装置。
  2. 　請求項１に記載の粒子線モニタ装置において、
    　前記遮蔽体は、前記センサから見て前記荷電粒子ビームの軌道の下流側を遮蔽しないことを特徴とする粒子線モニタ装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の粒子線モニタ装置において、
    　前記センサを前記荷電粒子ビームの軌道に沿って移動させる移動機構を備え、
    　前記センサは、前記荷電粒子ビームの軌道に沿った異なる複数の位置で前記放射線を検出することを特徴とする粒子線モニタ装置。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の粒子線モニタ装置において、
    　前記センサおよび前記遮蔽体の組を複数備え、
    　複数の前記センサが、前記荷電粒子ビームの軌道に沿った異なる位置に配置されていることを特徴とする粒子線モニタ装置。
  5. 　請求項４に記載の粒子線モニタ装置において、複数の前記センサは、前記荷電粒子ビームの軌道の周囲に弧形状に配置されていることを特徴とする粒子線モニタ装置。
  6. 　請求項４に記載の粒子線モニタ装置において、複数の前記センサは、照射目標点側に凹んだ側が向けられた弧形状に配置されていることを特徴とする粒子線モニタ装置。
  7. 　請求項１または請求項２に記載の粒子線モニタ装置において、
    　プロセッサであって、
    　前記センサによる検出値に基づいて、前記荷電粒子ビームに沿った各位置に対する放射線カウント値を示すカウントプロファイル曲線を求め、
    　前記カウントプロファイル曲線に基づいて、前記荷電粒子ビームのブラッグピークの位置を求めるプロセッサ、
    　を備えることを特徴とする粒子線モニタ装置。
  8. 　請求項７に記載に粒子線モニタ装置において、
    　前記プロセッサは、
    　基準曲線の位置と前記カウントプロファイル曲線の位置との相違に基づいて、前記荷電粒子ビームのブラッグピークの位置を求めることを特徴とする粒子線モニタ装置。
  9. 　請求項７に記載の粒子線モニタ装置において、
    　前記プロセッサは、
    　前記荷電粒子ビームの進行方向に対する前記カウントプロファイル曲線の傾きに基づいて、前記荷電粒子ビームのブラッグピークの位置を求めることを特徴とする粒子線モニタ装置。　
  10. 　請求項７に記載の粒子線モニタ装置と、
    　前記荷電粒子ビームを発生し、前記照射対象に照射する粒子ビーム照射装置と、
    　前記プロセッサによって求められたブラッグピークの位置に基づいて、前記粒子ビーム照射装置を制御する粒子ビーム制御装置と、
    　を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
  11. 　荷電粒子ビームと照射対象との相互作用により発生する放射線を検出するセンサを用いて、前記荷電粒子ビームのブラッグピークの位置を求める方法において、
    　前記センサから見て前記荷電粒子ビームの軌道の下流側よりも上流側の方が、前記放射線に対する遮蔽効果が大きい遮蔽体によって前記センサを遮蔽し、
    　前記荷電粒子ビームの軌道に沿った複数の位置で前記センサによって前記放射線を検出し、
    　前記複数の位置における検出値に基づいて、前記荷電粒子ビームに沿った各位置に対する放射線カウント値を示すカウントプロファイル曲線を求め、
    　前記カウントプロファイル曲線に基づいて、前記荷電粒子ビームのブラッグピークの位置を求める工程を含む、ことを特徴とする粒子線モニタ方法。
     
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