荷電粒子ビーム照射システム
【課題】ガントリーの回転により照射角度が変更になった場合、ガンマ線検出器の配置を適切な位置に配置することができず、精度良く照射野位置を計測することが出来なかった。
【解決手段】回転ガントリー１２と、荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、回転ガントリー１２に設けられ、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置２１と、照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器４６とを有し、即発ガンマ線検出器４６を回転ガントリー１２に設けることにより、上記課題を解決することができる。
【解決手段】回転ガントリー１２と、荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、回転ガントリー１２に設けられ、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置２１と、照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器４６とを有し、即発ガンマ線検出器４６を回転ガントリー１２に設けることにより、上記課題を解決することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者に陽子線などの荷電粒子ビームを照射する方法が知られている。この照射に用いるシステムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び治療室を備えている。荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達し、照射装置により分布を拡大し、患者の体内で患部形状に適した照射野を形成する。その際、照射野が所望の位置に形成されたことを確認する手段として、照射により体内で生成する陽電子放出核種からの消滅ガンマ線を照射後ポジトロン断層法（ＰＥＴ）により撮影する方法が用いられている。また、治療中照射野に生成される励起された炭素，酸素，窒素などの原子核から発生するガンマ線（即発ガンマ）を観測する方法が提唱されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【非特許文献１】“Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy”ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８９，１８３５１７（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来法であるＰＥＴを使用する方法は、照射後に測定するため照射により生成した陽電子放出核種が生理現象により位置を移動してしまうこと、陽電子放出核種から放出された陽電子は数ｍｍ移動した後消滅ガンマ線を発生すること、陽電子放出核種生成には核反応が必要であるが照射野の最も深い位置に到達する荷電粒子は核反応を起こすために十分なエネルギーを持たないことから荷電粒子の種類によっては照射野の形状を精度良く測定することは困難であった。また、即発ガンマ線を測定する方法はまだ確立されていない。即発ガンマ線により照射野を確認する場合、ガンマ線測定器を可能な限り照射野に近づけ、ガンマ線検出器の検出面をビーム軸方向と垂直な向きに配置し、ガンマ線検出器検出面の中心から引いた垂線が照射野の最深部になるように配置することが好ましい。特にガントリーを使用し照射方向を変更する場合、精度良く測定するためにガンマ線検出器を上記照射方向に最適な位置に配置する必要があるが、未だその方法は発明されていない。
【０００５】
本発明の目的は、ガントリーを回転させてイオンビームを複数の角度から照射した場合でも照射野位置を精度良く測定することができる荷電粒子ビーム照射システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、回転ガントリーと、荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、回転ガントリーに設けられ、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器とを有し、即発ガンマ線検出器を回転ガントリーに設けることにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、イオンビームを照射した照射野位置を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。
【０００９】
本実施形態の荷電粒子ビーム照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１とビーム輸送系２と放射線治療室４０を備えている。
【００１０】
図１を用いて荷電粒子ビーム発生装置１について説明する。
【００１１】
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず），ライナック３（前段荷電粒子ビーム加速装置），シンクロトロン４を有する。シンクロトロン４は高周波印加装置５，加速装置６、及び蓄積電荷量検出器１０を有する。高周波印加装置５はシンクロトロン４の周回軌道に配置された高周波印加電極７と、高周波印加電源８を備える。高周波印加電極７と高周波印加電源８はスイッチ９により接続される。加速装置６はイオンビームの周回軌道に配置された高周波加速空洞（図示せず）と高周波加速空洞に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）を備える。陽子，炭素などのイオンはイオン源にて発生し、ライナック３に入射し加速される。ライナック３から出射したイオンビームはシンクロトロン４へ入射される。シンクロトロン４では、イオンビームは高周波電源から高周波加速空洞を経てイオンビームに印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速する。予め設定されたエネルギーまで加速された後、スイッチ９を繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波が印加される。安定限界内でシンクロトロン４内を周回していたイオンビームは安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１１を通ってシンクロトロン４から出射される。スイッチ９を切り高周波の印加を停止することにより、シンクロトロン４からのイオンビームの出射を停止する。シンクロトロン４から出射したイオンビームはビーム輸送系２を経て、照射装置２１に輸送される。ビーム輸送系２は四極電磁石１４，１８、及び偏向電磁石１５，１９，２０を有する。
【００１２】
ビーム輸送系２の一部で、逆Ｕ字状の部分と照射装置２１は回転ガントリー（以下、ガントリー）１２の略筒状の回転胴に設置され、モーター（図示せず）により回転可能な構成である。照射装置２１を通過したイオンビームは、回転胴の内部に設置されているカウチ（照射ベッド）４１の上に載せられた被検体（患者）１０１へ照射される。
【００１３】
図２を用いて照射装置２１について説明する。
【００１４】
照射装置２１は、ビーム位置検出器２２，走査電磁石２３，２４，散乱体２５，リッジフィルタ２６，レンジシフタ２７，線量検出器２８，コリメータ３０，ボーラス３１，Ｘ線発生装置（Ｘ線管）３２，Ｘ線用レール３３により構成されている。二台の走査電磁石２３，２４はビーム軸に垂直な面内で互いに直行する方向にイオンビームを走査できるように配置されており、ビーム軸と垂直な面内でイオンビームを円形に走査する。ここでビーム軸は走査電磁石２３，２４により走査しない場合にイオンビームが進む経路を指す。走査電磁石２３，２４により走査された後、イオンビームは散乱体２５により散乱され、そのビーム径を広げる。ビーム径の大きさとビーム走査半径を適切に調整することでビーム軸に対し垂直な方向の線量分布を一様にすることができる。散乱体通過後、イオンビームはリッジフィルタ２６に到達する。リッジフィルタ２６の断面形状は楔形をしており、斜辺に相当する面は多数の階段状の構造を有している。イオンビームは入射した段の厚みにより異なるエネルギーをリッジフィルタ２６に吸収される。リッジフィルタ２６を通過したイオンビームはリッジフィルタ２６の段の厚みが厚いほどエネルギーを損失し、段の面積に比例した粒子数分布となる。各段の面積を調整することでビーム軸方向の線量分布を一様にすることができる。イオンビームはリッジフィルタ２６を通過した後、レンジシフタ２７に達する。レンジシフタ２７はＡＢＳなどの軽い材質で構成され、イオンビームの散乱を抑えエネルギーを吸収する。レンジシフタ２７の厚みを調整することで患者１０１内でのイオンビームの飛程を調整する。レンジシフタ２７を通過した後、イオンビームはボーラス３１とコリメータ３０を通過する。ボーラス３１は患者毎に患部１０２の形状に合わせて作成する。ボーラス３１により、イオンビームの飛程終端で形成される照射野形状を患部１０２の形状に適したものにする。また、コリメータ３０はビーム軸と垂直な方向の照射野形状を患部１０２の形状に適したものにする。以上の照射装置２１内に配置された機器により患者１０１の患部１０２に適した照射野が形成される。ビーム位置検出器２２はマルチワイヤーチェンバーであり、ビーム位置を計測し、照射装置２１への入射ビームが照射野を一様にできる位置であることを補償する。線量検出器２８は照射済み線量を計測する。Ｘ線発生装置３２はＸ線用レール３３によりビーム軸位置まで移動できる構造をしており、照射前の患者１０１の位置を決める際に使用する。
【００１５】
図３を用いて放射線治療室４０内の構造を説明する。
【００１６】
放射線治療室４０内には筒状のガントリー１２があり、ガントリー１２が回転することで照射装置２１の向きが変わり、照射装置２１は患者１０１の周りを一周することができる。患者１０１はカウチ４１と呼ばれる可動式ベッドの上に載り照射される。カウチ４１は、放射線治療室４０内に設けられ、３次元的にどの方向にも移動することができ、且つ３方向へ回転することができる。ガントリー１２の回転とカウチ４１の動きにより患者１０１を任意の方向から照射することが可能である。ガントリー１２の壁面からはＸ線支持体４２とＸ線検出器（例えば、ＦＰＤ）４４，４５が突き出ている。これらは必要な場合のみ引きだして使用し、不要な場合はガントリー１２の壁面内に格納できる構造となっている。必要時以外格納することで、ＦＰＤ４４，４５を放射線による損傷から防ぐことができる。また、ガントリー１２の回転時にカウチ４１との衝突を防ぐことができる。ＦＰＤ４５は照射装置２１内に搭載されたＸ線発生装置３２からのＸ線を検出するために設置され、ＦＰＤ４４はＸ線支持体４２に搭載されたＸ線発生装置（Ｘ線管）４３からのＸ線を検出する。患者１０１の位置を確認するためには直行する２つの方向から患者１０１を撮影する必要がある。また、Ｘ線発生装置３２が照射装置２１内にあることでコリメータ３０と患部１０２の位置を、イオンビームを照射する方向から確認することができ、安全性を向上させることができる。ひとつのＸ線発生装置３２が照射装置２１内に配置されるのでもうひとつのＸ線発生装置４３はビーム軸と垂直な方向に配置される。Ｘ線支持体４２のＸ線発生装置４３の隣にはガンマ線検出器４６がある。ガンマ線検出器４６は、Ｘ線支持体４２に設けられる。
【００１７】
図４を用いて照射を進める手順を説明する。
【００１８】
癌などへの照射は予めＣＴ装置５２により患者１０１を撮影し、撮影された画像を用いて患部の位置を特定し、治療計画システム５１を用いて患部周辺を含む照射野を決定する。決定された照射野を形成するため、治療計画システム５１は照射制御システム５３内の加速器制御部５４とビーム輸送系制御部５５にシンクロトロン４により加速するイオンビームのエネルギーとガントリー１２の回転による照射角度を設定し、照射装置制御部５６に照射装置２１内の各機器のパラメータを設定する。また、治療計画システム５１は、位置決めシステム６０に対し患部１０２の配置すべき位置、ガンマ線検出器４６の配置位置を指定する。
【００１９】
位置決めシステム６０はＸ線制御装置５７を通してノズル内に配置されたＸ線発生装置３２と対面に配置されたＦＰＤ４５，ビーム軸と垂直方向に撮影するＸ線発生装置４３と対面に配置されたＦＰＤ４４の２組のＸ線を用いて患部を撮影し、患部の位置が治療計画システム５１により指定された位置に配置されるようにカウチ制御装置５９を通してカウチ４１を移動する。また、ボーラス３１とコリメータ３０を照射装置２１内に設置し、患者１０１の位置決め後、ガントリー１２は治療計画システム５１により指定された角度へと回転し、その後ガンマ線検出器制御装置５８は治療計画システム５１により指定された位置へガンマ線検出器４６を移動する。以上により照射準備が完了し、照射を開始する。照射装置２１内の線量検出器２８により照射済み線量を計測し治療計画システム５１が指定した量を照射した後照射を終了する。イオンビームの照射中にガンマ線検出器４６はガンマ線の計測を継続し、照射終了後に取得データを照射野確認システム６１に転送する。照射野確認システム６１はガンマ線検出器４６から取得されたデータと位置決めシステム６０から受け取る患者位置情報を比較し、患部１０２が照射されていることを確認する。なお、患部１０２の位置決めは本実施例では２方向からのＸ線撮影により行ったが、ガントリー１２を回転させながら複数角度でＸ線撮影をし、ＣＴにより位置決めすることでより精度を高くすることができる。
【００２０】
照射野はイオンビームのエネルギーと照射装置２１内の機器と患者体内の組成によりその形状が決まる。エネルギーが高いほど患者体内の深い位置までイオンビームが到達する。照射装置２１内の機器を通過しない場合、図５（ａ）のように患者体内のイオンビームが到達する最も深い位置にピークを持つような線量分布を形成する。リッジフィルタ２６でエネルギーを吸収し、適当な割合で異なるエネルギーのイオンビームが混じることにより図５（ｂ）のように患部の深さ方向の大きさに等しい線量一様領域（ＳＯＢＰ）を形成することができる。また、ＳＯＢＰを形成した場合も飛程終端付近は急峻に線量分布が減少する。この飛程終端位置はイオンビームのエネルギーとレンジシフタ２７の厚み、ボーラス３１の厚み、患者体内の飛程終端までの物質量により決まる。イオンビームの飛程終端で形成される照射野の深い側の形状を照射野深部形状と呼ぶ。また照射野深部形状の内、最も深い位置を照射野最深部と呼ぶ。イオンビームの照射方向の患者体表から患部までの物質量は照射前に撮影されたＣＴ画像から計算され、そのデータを基に照射時のエネルギー，レンジシフタ２７の厚み、ボーラス３１の形状を決定する。
【００２１】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき、イオンビームは患者体内の構成元素と一定の割合で核反応を起こす。核反応を起こした照射野内の原子は励起状態に遷移し、その後、ガンマ線（即発ガンマ線）を放出して基底状態に遷移する。核反応が起こる領域と照射野は一致し、ガンマ線はほぼ当方的に放出される。ここで放出されたガンマ線を精度よく測定し、ガンマ線の発生位置を特定することで照射野の位置を測定することができる。
【００２２】
前記過程は体内の構成物質が励起するため、酸素，炭素，窒素の各元素が主に励起する。それぞれの第一励起エネルギーは数ＭｅＶ（１ＭｅＶから１０ＭｅＶ）の領域にある。よって放出されるガンマ線のエネルギーは同等のエネルギー（１ＭｅＶから１０ＭｅＶ）で放出されるものが多い。１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線が物質と反応するとき、光電吸収反応の起こる確率は低く、コンプトン散乱と対生成の二つの反応が起きる確立が支配的になる。
【００２３】
以上の理由から前記ガンマ線を測定するガンマ線検出器４６としてコンプトン散乱反応を利用するコンプトンカメラが好ましい。コンプトンカメラは図６に示すように第一検出部７１と第二検出部７２により構成されている。ガンマ線の検出面７３は第二検出部７２から遠い面であり検出面７３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部７１はキセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面７３に高電圧がかけられている。第一検出部７１と第二検出部７２の境界面付近には格子状に電荷検出器（図示せず）が並べられている。第二検出部７２はＧＳＯ結晶などの重いシンチレータが格子状に並べられている。ガンマ線が入射すると第一検出部７１においてコンプトン散乱が起きる。散乱によりガンマ線はエネルギーを損失し、第二検出部７２に到達後、全てのエネルギーを損失し検出される。コンプトン散乱により散乱された反跳電子は第一検出部７１内の気体を電離しながら進む。第一検出部７１内は電圧がかかっているため電離した電子は第二検出部７２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。第二検出部７２でガンマ線が検出されてから電荷検出器で電子が検出されるまでの時間を測定することで不活性ガスが反跳電子により電離された位置を特定することができる。以上により求められる反跳電子の軌跡からコンプトン散乱が起きた位置、反跳電子の反跳方向がわかり、電荷検出器で検出した総電荷より反跳電子のエネルギーがわかる。また、第二検出部７２のデータから散乱ガンマ線の位置とエネルギーがわかる。運動量保存とエネルギー保存の法則を用いて計算することで入射ガンマ線の入射した方向とエネルギーがわかる。入射したガンマ線は第一検出部７１でコンプトン散乱した後、第二検出部７２に到達する必要がある。検出面７３の端から入射した場合、第二検出部７２に到達する前に検出器の外へ抜けてしまう可能性が高く、検出面中心が最も検出効率が良い。また、入射角度についても同様の理由により、検出面７３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。なお第一検出部７１，第二検出部７２共にＳｉ，ＣｄＴｅなどの半導体検出器を使用することもできる。第一検出部７１に半導体検出器を用いることで入射ガンマ線の第一検出部７１での反応確立を向上することができる。また第二検出部７２に半導体検出器を用いることで検出位置精度を向上することができる。
【００２４】
図７を用いてガンマ線検出器４６の配置の詳細を説明する。
【００２５】
図７は図３のガンマ線検出器４６の近傍を拡大したものである。Ｘ線支持体４２の先端部にガンマ線検出器支持体４７，４８，ガンマ線検出器４６が配置されている。箱状のガンマ線検出器支持体４７，４８が互いに収納，取出される構造をしており、ガントリー１２の径方向に移動することによりガンマ線検出器４６はガントリー１２の径方向に移動することができる。ガンマ線検出器４６はガンマ線の位置と角度を検出し照射野位置を特定するため、照射野位置測定精度は照射野とガンマ線検出器４６の距離に比例する。ガンマ線検出器４６を患者１０１にできるだけ近づけることで照射野位置精度を向上することができる。ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４８に格納でき、ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４７に、ガンマ線検出器支持体４７はＸ線支持体４２にそれぞれ格納できる構造になっている。ガンマ線検出器４６，Ｘ線発生装置４３が共に不要な時、Ｘ線支持体４２はガントリー１２の壁面内に格納することができる。壁面に格納できることで、ガントリー１２の回転時にカウチ４１との衝突を防止することができる。本実施例はガンマ線検出器支持体が２段である。この段数と形状はガンマ線検出器４６の検出面が少なくともガントリー１２の回転中心位置まで移動できるように決定する。ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４８に設置されたガンマ線検出器レール４９に固定されており、ガントリー１２の径方向と垂直な面内を移動できる。ガンマ線検出器４６は前記の通り、検出面７３の中心に垂直に入射したガンマ線に対する検出感度が最も高いため、検出面中心から引いた垂線上付近に照射野最深部が位置することが好ましい。なお、照射時、一般的に患部の中心にビーム軸が位置するため、ガンマ線検出器４６をガンマ線検出器支持体４８の面内で２次元的に動かすことが難しい場合、検出面中心から引いた垂線がビーム軸と常に交わるように配置することでビーム軸方向のみ移動できる構造で十分である。なお、照射野位置測定精度向上のためにはガンマ線検出器４６の照射時の位置精度が重要である。前記各駆動機構にはそれぞれポテンショメータを備え、ガンマ線検出器４６が配置された位置を測定する機構を備える。
【００２６】
本実施例はガンマ線検出器４６をＸ線支持体４２に配置することで常にビーム軸と垂直な位置を担保することができる。ビーム軸と常に垂直を保つことができる位置は他に図３のＦＰＤ４４が配置された位置と、ガントリー１２の回転軸上がある。ＦＰＤ４４の支持体にガンマ線検出器４６を配置すると照射中にＦＰＤがガントリー１２の壁面に格納できず、放射線による損傷を受ける可能性がある。この場合、ＦＰＤとは別の支持体とし、照射時ＦＰＤのみガントリー１２の壁面に格納できる構造とすることが好ましい。また、ＦＰＤ側とＸ線発生装置側の両側にガンマ線検出器４６を配置しても良い。両側から測定することにより信号量を増やすことができ、測定制度を向上することができる。ガントリー１２の回転軸上でのガンマ線検出器４６の設置位置として、ガントリー１２の壁面側と反対側（カウチ側）が考えられる。多くの治療では患者１０１はガントリー１２の回転軸と平行に近い状態で照射するため、頭部以外の照射ではガントリー１２の回転軸上にガンマ線検出器４６を配置しても患部にガンマ線検出器４６を近づけることが出来ず検出位置精度を向上することができない。しかし、カウチ４１を回転させ、ガントリー１２の回転軸と垂直に近い状態で照射する場合も存在する。この場合、ガントリー１２の回転軸上のガンマ線検出器４６により測定することで検出位置精度を向上させることができる。ガントリー１２の壁面側へ設置する場合、壁面から引き出せる構造とする。また、カウチ側へ配置する場合、ガントリー１２の外側の天井から引き出される構造とする。Ｘ線発生装置４３に配置したガンマ線検出器４６により多くの場合、精度良く照射野位置を測定できるが、ガントリー１２の回転軸上にもガンマ線検出器４６を配置することにより、全ての場合において照射野位置を精度良く測定することができる。
【００２７】
照射野確認システム６１が照射野を確認する手順の詳細を示す。
【００２８】
照射野確認システム６１は、イオンビームの照射中に取得したガンマ線検出器４６の検出データとガンマ線検出器４６を配置した位置データをガンマ線検出器制御装置５８経由で受け取る。また、照射野確認システム６１は、ビーム輸送系制御部５５からガントリー１２の回転角度の情報を受け取る。ガンマ線検出器４６の検出データを基にガンマ線検出器４６に固有の座標での個々の入射ガンマ線の入射角度と位置とエネルギーを計算する。計算した結果から、照射野確認システム６１は、ガンマ線検出器４６に垂直に入射したもののみを抽出する。また、励起状態の核から放出されるエネルギーが前記の通り数ＭｅＶであることからエネルギーが例えば１ＭｅＶ以上のものを抽出する。抽出したガンマ線の位置情報からビーム軸方向のガンマ線発生分布を求め、分布が急峻に減少する位置を照射野最深部の位置とする。求めた照射野最深部の位置を、ガントリー１２の回転角度とガンマ線検出器４６の位置の情報を用い、ガンマ線検出器４６の座標から治療室に固有の座標系に変換する。この照射野最深部位置はビーム軸に垂直な面として表される。照射野深部形状は一般的に様々であり、照射野最深部がビーム軸上とは限らない。よって、測定した結果を面として表す必要がある。また、照射野確認システム６１は治療計画システム５１から治療計画した照射野の情報を治療室に固有な座標系で受け取る。照射野確認システム６１は治療室に固有な座標系上で照射野最深部と治療計画した照射野形状を比較し、照射が計画通りに完了したことを確認する。
【００２９】
また、ガンマ線検出器４６の検出面へ、検出面に対し垂直以外の方向から入射したガンマ線の情報を用いて照射野深部形状を求めることができる。ガンマ線検出器４６に入射したガンマ線の角度分布を位置毎に求め、急峻に分布が減少する角度を求める。角度分布はガンマ線検出器４６の検出面に垂直な直線を回転軸として各角度に対し求めることができる。分布を求めた位置を通り、分布が減少する角度方向に直線を引くことでその直線は照射野形状の接線に相当する。この接線を位置毎，角度毎に求め、接線に接するような曲面を求めることで照射野形状を再構成することができる。
【００３０】
また、従来、照射装置２１が正常であることを確認するため、水ファントムを照射位置に配置し、水中で検出器を動かして深さ位置毎の線量値を計測することでイオンビームの飛程終端位置を測定している。照射位置に水ファントムなどを設置しガンマ線検出器４６を用いて患者１０１に照射したときと同様にイオンビームの飛程終端を測定することで従来方法より簡便に装置の正常動作を確認することができる。
【００３１】
また、ガンマ線検出器４６をロボットアームに装着することにより、ガントリー１２内で３次元的に自由に配置することが可能である。この場合、ロボットアームはカウチ４１と干渉しないため、ガントリー１２外の天井に設置されることが望ましい。
【００３２】
本実施形態では、ガントリー１２を回転させ照射装置２１の角度が変わった場合でもガンマ線検出器４６をビーム軸と垂直な方向に配置することができる。さらに、ガントリー１２の径方向の移動によりガンマ線検出器４６を患部により近づけることができる。さらに、ガンマ線検出器４６が、ガントリー１２の径方向と垂直な面内で移動することができる。このため、ガンマ線検出器４６を用いた場合が小さい場合でもガンマ線検出器４６の検出面の中心から引いた垂線が照射野の最深部付近となるように配置することができ、ガントリーで１２で様々な角度から照射した場合でも照射野位置を精度良く測定することができる。さらに、小さなガンマ線検出器４６を用いた場合であっても照射野を精度よく測定できる。
【００３３】
本実施形態では、照射対象にイオンビームを照射することによって生成される即発ガンマ線を検出して照射野の形状を測定するため、患者１０１に照射されたイオンビームの照射位置を精度よく測定することができる。これにより、信頼性の高い荷電粒子ビーム照射システムを提供することができる。なお、本実施形態は、消滅ガンマ線を検出して照射野の形状を測定する従来の技術と比較しても、精度よく測定することができる。
【００３４】
本実施形態は、イオンビームとして陽子線や重粒子線（炭素線等）を用いることができる。即発ガンマ線を検出して照射野の形状を測定する本実施形態は、特に、陽子線を用いる陽子線照射システムの場合に有効である。
【００３５】
本実施形態は、イオンビームを照射している間に、照射対象から放出される即発ガンマ線を検出し、照射野の形状を測定するのに必要な情報を収集できるため、患者１０１の生理現象による位置ずれが小さく、精度よく照射野の形状を測定することができる。また、照射野の形状を測定する時間を短縮でき、スループットが向上する。
【００３６】
本実施形態では、照射野確認システム６１が、ガンマ線検出器４６から出力される検出データのうち、エネルギーが１ＭｅＶ以上のものを有効なデータとして判別している。１ＭｅＶから１０ＭｅＶのエネルギーの検出データを有効なデータとして判別し、照射野を確認してもよい。これにより、照射野をさらに精度よく測定できる。
【００３７】
本実施形態では、シンクロトロン４を用いたが、サイクロトロンなどの他の加速器でも同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図３】図１に示した荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射室内を示す概念図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を示す図と制御システムのブロック構成図である。
【図５】図１に示した照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる線量分布を示す図である。
【図６】ガンマ線検出器の構成を示した概念図である。
【図７】図３の照射室内に配置したガンマ線検出器周辺を詳細に示す概念図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 荷電粒子ビーム発生装置
２ ビーム輸送系
３ ライナック
４ シンクロトロン
５ 高周波印加装置
６ 加速装置
７ 高周波印加電極
８ 高周波印加電源
９ スイッチ
１１ 出射用デフレクタ
１２ ガントリー
１４，１８ 四極電磁石
１５，１９，２０ 偏向電磁石
２１ 照射装置
２２ ビーム位置検出器
２３，２４ 走査電磁石
２５ 散乱体
２６ リッジフィルタ
２７ レンジシフタ
２８ 線量検出器
３０ コリメータ
３１ ボーラス
３２，４３ Ｘ線発生装置
３３ Ｘ線用レール
４０ 治療室
４１ カウチ
４２ Ｘ線支持体
４４，４５ ＦＰＤ
４６ ガンマ線検出器
４７，４８ ガンマ線検出器支持体
４９ ガンマ線検出器レール
５１ 治療計画システム
５２ ＣＴ装置
５３ 照射制御システム
５４ 加速器制御部
５５ ビーム輸送系制御部
５６ 照射装置制御部
５７ Ｘ線制御装置
５８ ガンマ線検出器制御装置
５９ カウチ制御装置
６０ 位置決めシステム
６１ 照射野確認システム
７１ 第一検出部
７２ 第二検出部
７３ 検出面
１０１ 患者
１０２ 患部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者に陽子線などの荷電粒子ビームを照射する方法が知られている。この照射に用いるシステムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び治療室を備えている。荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達し、照射装置により分布を拡大し、患者の体内で患部形状に適した照射野を形成する。その際、照射野が所望の位置に形成されたことを確認する手段として、照射により体内で生成する陽電子放出核種からの消滅ガンマ線を照射後ポジトロン断層法（ＰＥＴ）により撮影する方法が用いられている。また、治療中照射野に生成される励起された炭素，酸素，窒素などの原子核から発生するガンマ線（即発ガンマ）を観測する方法が提唱されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【非特許文献１】“Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy”ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８９，１８３５１７（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来法であるＰＥＴを使用する方法は、照射後に測定するため照射により生成した陽電子放出核種が生理現象により位置を移動してしまうこと、陽電子放出核種から放出された陽電子は数ｍｍ移動した後消滅ガンマ線を発生すること、陽電子放出核種生成には核反応が必要であるが照射野の最も深い位置に到達する荷電粒子は核反応を起こすために十分なエネルギーを持たないことから荷電粒子の種類によっては照射野の形状を精度良く測定することは困難であった。また、即発ガンマ線を測定する方法はまだ確立されていない。即発ガンマ線により照射野を確認する場合、ガンマ線測定器を可能な限り照射野に近づけ、ガンマ線検出器の検出面をビーム軸方向と垂直な向きに配置し、ガンマ線検出器検出面の中心から引いた垂線が照射野の最深部になるように配置することが好ましい。特にガントリーを使用し照射方向を変更する場合、精度良く測定するためにガンマ線検出器を上記照射方向に最適な位置に配置する必要があるが、未だその方法は発明されていない。
【０００５】
本発明の目的は、ガントリーを回転させてイオンビームを複数の角度から照射した場合でも照射野位置を精度良く測定することができる荷電粒子ビーム照射システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、回転ガントリーと、荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、回転ガントリーに設けられ、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器とを有し、即発ガンマ線検出器を回転ガントリーに設けることにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、イオンビームを照射した照射野位置を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。
【０００９】
本実施形態の荷電粒子ビーム照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１とビーム輸送系２と放射線治療室４０を備えている。
【００１０】
図１を用いて荷電粒子ビーム発生装置１について説明する。
【００１１】
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず），ライナック３（前段荷電粒子ビーム加速装置），シンクロトロン４を有する。シンクロトロン４は高周波印加装置５，加速装置６、及び蓄積電荷量検出器１０を有する。高周波印加装置５はシンクロトロン４の周回軌道に配置された高周波印加電極７と、高周波印加電源８を備える。高周波印加電極７と高周波印加電源８はスイッチ９により接続される。加速装置６はイオンビームの周回軌道に配置された高周波加速空洞（図示せず）と高周波加速空洞に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）を備える。陽子，炭素などのイオンはイオン源にて発生し、ライナック３に入射し加速される。ライナック３から出射したイオンビームはシンクロトロン４へ入射される。シンクロトロン４では、イオンビームは高周波電源から高周波加速空洞を経てイオンビームに印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速する。予め設定されたエネルギーまで加速された後、スイッチ９を繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波が印加される。安定限界内でシンクロトロン４内を周回していたイオンビームは安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１１を通ってシンクロトロン４から出射される。スイッチ９を切り高周波の印加を停止することにより、シンクロトロン４からのイオンビームの出射を停止する。シンクロトロン４から出射したイオンビームはビーム輸送系２を経て、照射装置２１に輸送される。ビーム輸送系２は四極電磁石１４，１８、及び偏向電磁石１５，１９，２０を有する。
【００１２】
ビーム輸送系２の一部で、逆Ｕ字状の部分と照射装置２１は回転ガントリー（以下、ガントリー）１２の略筒状の回転胴に設置され、モーター（図示せず）により回転可能な構成である。照射装置２１を通過したイオンビームは、回転胴の内部に設置されているカウチ（照射ベッド）４１の上に載せられた被検体（患者）１０１へ照射される。
【００１３】
図２を用いて照射装置２１について説明する。
【００１４】
照射装置２１は、ビーム位置検出器２２，走査電磁石２３，２４，散乱体２５，リッジフィルタ２６，レンジシフタ２７，線量検出器２８，コリメータ３０，ボーラス３１，Ｘ線発生装置（Ｘ線管）３２，Ｘ線用レール３３により構成されている。二台の走査電磁石２３，２４はビーム軸に垂直な面内で互いに直行する方向にイオンビームを走査できるように配置されており、ビーム軸と垂直な面内でイオンビームを円形に走査する。ここでビーム軸は走査電磁石２３，２４により走査しない場合にイオンビームが進む経路を指す。走査電磁石２３，２４により走査された後、イオンビームは散乱体２５により散乱され、そのビーム径を広げる。ビーム径の大きさとビーム走査半径を適切に調整することでビーム軸に対し垂直な方向の線量分布を一様にすることができる。散乱体通過後、イオンビームはリッジフィルタ２６に到達する。リッジフィルタ２６の断面形状は楔形をしており、斜辺に相当する面は多数の階段状の構造を有している。イオンビームは入射した段の厚みにより異なるエネルギーをリッジフィルタ２６に吸収される。リッジフィルタ２６を通過したイオンビームはリッジフィルタ２６の段の厚みが厚いほどエネルギーを損失し、段の面積に比例した粒子数分布となる。各段の面積を調整することでビーム軸方向の線量分布を一様にすることができる。イオンビームはリッジフィルタ２６を通過した後、レンジシフタ２７に達する。レンジシフタ２７はＡＢＳなどの軽い材質で構成され、イオンビームの散乱を抑えエネルギーを吸収する。レンジシフタ２７の厚みを調整することで患者１０１内でのイオンビームの飛程を調整する。レンジシフタ２７を通過した後、イオンビームはボーラス３１とコリメータ３０を通過する。ボーラス３１は患者毎に患部１０２の形状に合わせて作成する。ボーラス３１により、イオンビームの飛程終端で形成される照射野形状を患部１０２の形状に適したものにする。また、コリメータ３０はビーム軸と垂直な方向の照射野形状を患部１０２の形状に適したものにする。以上の照射装置２１内に配置された機器により患者１０１の患部１０２に適した照射野が形成される。ビーム位置検出器２２はマルチワイヤーチェンバーであり、ビーム位置を計測し、照射装置２１への入射ビームが照射野を一様にできる位置であることを補償する。線量検出器２８は照射済み線量を計測する。Ｘ線発生装置３２はＸ線用レール３３によりビーム軸位置まで移動できる構造をしており、照射前の患者１０１の位置を決める際に使用する。
【００１５】
図３を用いて放射線治療室４０内の構造を説明する。
【００１６】
放射線治療室４０内には筒状のガントリー１２があり、ガントリー１２が回転することで照射装置２１の向きが変わり、照射装置２１は患者１０１の周りを一周することができる。患者１０１はカウチ４１と呼ばれる可動式ベッドの上に載り照射される。カウチ４１は、放射線治療室４０内に設けられ、３次元的にどの方向にも移動することができ、且つ３方向へ回転することができる。ガントリー１２の回転とカウチ４１の動きにより患者１０１を任意の方向から照射することが可能である。ガントリー１２の壁面からはＸ線支持体４２とＸ線検出器（例えば、ＦＰＤ）４４，４５が突き出ている。これらは必要な場合のみ引きだして使用し、不要な場合はガントリー１２の壁面内に格納できる構造となっている。必要時以外格納することで、ＦＰＤ４４，４５を放射線による損傷から防ぐことができる。また、ガントリー１２の回転時にカウチ４１との衝突を防ぐことができる。ＦＰＤ４５は照射装置２１内に搭載されたＸ線発生装置３２からのＸ線を検出するために設置され、ＦＰＤ４４はＸ線支持体４２に搭載されたＸ線発生装置（Ｘ線管）４３からのＸ線を検出する。患者１０１の位置を確認するためには直行する２つの方向から患者１０１を撮影する必要がある。また、Ｘ線発生装置３２が照射装置２１内にあることでコリメータ３０と患部１０２の位置を、イオンビームを照射する方向から確認することができ、安全性を向上させることができる。ひとつのＸ線発生装置３２が照射装置２１内に配置されるのでもうひとつのＸ線発生装置４３はビーム軸と垂直な方向に配置される。Ｘ線支持体４２のＸ線発生装置４３の隣にはガンマ線検出器４６がある。ガンマ線検出器４６は、Ｘ線支持体４２に設けられる。
【００１７】
図４を用いて照射を進める手順を説明する。
【００１８】
癌などへの照射は予めＣＴ装置５２により患者１０１を撮影し、撮影された画像を用いて患部の位置を特定し、治療計画システム５１を用いて患部周辺を含む照射野を決定する。決定された照射野を形成するため、治療計画システム５１は照射制御システム５３内の加速器制御部５４とビーム輸送系制御部５５にシンクロトロン４により加速するイオンビームのエネルギーとガントリー１２の回転による照射角度を設定し、照射装置制御部５６に照射装置２１内の各機器のパラメータを設定する。また、治療計画システム５１は、位置決めシステム６０に対し患部１０２の配置すべき位置、ガンマ線検出器４６の配置位置を指定する。
【００１９】
位置決めシステム６０はＸ線制御装置５７を通してノズル内に配置されたＸ線発生装置３２と対面に配置されたＦＰＤ４５，ビーム軸と垂直方向に撮影するＸ線発生装置４３と対面に配置されたＦＰＤ４４の２組のＸ線を用いて患部を撮影し、患部の位置が治療計画システム５１により指定された位置に配置されるようにカウチ制御装置５９を通してカウチ４１を移動する。また、ボーラス３１とコリメータ３０を照射装置２１内に設置し、患者１０１の位置決め後、ガントリー１２は治療計画システム５１により指定された角度へと回転し、その後ガンマ線検出器制御装置５８は治療計画システム５１により指定された位置へガンマ線検出器４６を移動する。以上により照射準備が完了し、照射を開始する。照射装置２１内の線量検出器２８により照射済み線量を計測し治療計画システム５１が指定した量を照射した後照射を終了する。イオンビームの照射中にガンマ線検出器４６はガンマ線の計測を継続し、照射終了後に取得データを照射野確認システム６１に転送する。照射野確認システム６１はガンマ線検出器４６から取得されたデータと位置決めシステム６０から受け取る患者位置情報を比較し、患部１０２が照射されていることを確認する。なお、患部１０２の位置決めは本実施例では２方向からのＸ線撮影により行ったが、ガントリー１２を回転させながら複数角度でＸ線撮影をし、ＣＴにより位置決めすることでより精度を高くすることができる。
【００２０】
照射野はイオンビームのエネルギーと照射装置２１内の機器と患者体内の組成によりその形状が決まる。エネルギーが高いほど患者体内の深い位置までイオンビームが到達する。照射装置２１内の機器を通過しない場合、図５（ａ）のように患者体内のイオンビームが到達する最も深い位置にピークを持つような線量分布を形成する。リッジフィルタ２６でエネルギーを吸収し、適当な割合で異なるエネルギーのイオンビームが混じることにより図５（ｂ）のように患部の深さ方向の大きさに等しい線量一様領域（ＳＯＢＰ）を形成することができる。また、ＳＯＢＰを形成した場合も飛程終端付近は急峻に線量分布が減少する。この飛程終端位置はイオンビームのエネルギーとレンジシフタ２７の厚み、ボーラス３１の厚み、患者体内の飛程終端までの物質量により決まる。イオンビームの飛程終端で形成される照射野の深い側の形状を照射野深部形状と呼ぶ。また照射野深部形状の内、最も深い位置を照射野最深部と呼ぶ。イオンビームの照射方向の患者体表から患部までの物質量は照射前に撮影されたＣＴ画像から計算され、そのデータを基に照射時のエネルギー，レンジシフタ２７の厚み、ボーラス３１の形状を決定する。
【００２１】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき、イオンビームは患者体内の構成元素と一定の割合で核反応を起こす。核反応を起こした照射野内の原子は励起状態に遷移し、その後、ガンマ線（即発ガンマ線）を放出して基底状態に遷移する。核反応が起こる領域と照射野は一致し、ガンマ線はほぼ当方的に放出される。ここで放出されたガンマ線を精度よく測定し、ガンマ線の発生位置を特定することで照射野の位置を測定することができる。
【００２２】
前記過程は体内の構成物質が励起するため、酸素，炭素，窒素の各元素が主に励起する。それぞれの第一励起エネルギーは数ＭｅＶ（１ＭｅＶから１０ＭｅＶ）の領域にある。よって放出されるガンマ線のエネルギーは同等のエネルギー（１ＭｅＶから１０ＭｅＶ）で放出されるものが多い。１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線が物質と反応するとき、光電吸収反応の起こる確率は低く、コンプトン散乱と対生成の二つの反応が起きる確立が支配的になる。
【００２３】
以上の理由から前記ガンマ線を測定するガンマ線検出器４６としてコンプトン散乱反応を利用するコンプトンカメラが好ましい。コンプトンカメラは図６に示すように第一検出部７１と第二検出部７２により構成されている。ガンマ線の検出面７３は第二検出部７２から遠い面であり検出面７３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部７１はキセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面７３に高電圧がかけられている。第一検出部７１と第二検出部７２の境界面付近には格子状に電荷検出器（図示せず）が並べられている。第二検出部７２はＧＳＯ結晶などの重いシンチレータが格子状に並べられている。ガンマ線が入射すると第一検出部７１においてコンプトン散乱が起きる。散乱によりガンマ線はエネルギーを損失し、第二検出部７２に到達後、全てのエネルギーを損失し検出される。コンプトン散乱により散乱された反跳電子は第一検出部７１内の気体を電離しながら進む。第一検出部７１内は電圧がかかっているため電離した電子は第二検出部７２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。第二検出部７２でガンマ線が検出されてから電荷検出器で電子が検出されるまでの時間を測定することで不活性ガスが反跳電子により電離された位置を特定することができる。以上により求められる反跳電子の軌跡からコンプトン散乱が起きた位置、反跳電子の反跳方向がわかり、電荷検出器で検出した総電荷より反跳電子のエネルギーがわかる。また、第二検出部７２のデータから散乱ガンマ線の位置とエネルギーがわかる。運動量保存とエネルギー保存の法則を用いて計算することで入射ガンマ線の入射した方向とエネルギーがわかる。入射したガンマ線は第一検出部７１でコンプトン散乱した後、第二検出部７２に到達する必要がある。検出面７３の端から入射した場合、第二検出部７２に到達する前に検出器の外へ抜けてしまう可能性が高く、検出面中心が最も検出効率が良い。また、入射角度についても同様の理由により、検出面７３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。なお第一検出部７１，第二検出部７２共にＳｉ，ＣｄＴｅなどの半導体検出器を使用することもできる。第一検出部７１に半導体検出器を用いることで入射ガンマ線の第一検出部７１での反応確立を向上することができる。また第二検出部７２に半導体検出器を用いることで検出位置精度を向上することができる。
【００２４】
図７を用いてガンマ線検出器４６の配置の詳細を説明する。
【００２５】
図７は図３のガンマ線検出器４６の近傍を拡大したものである。Ｘ線支持体４２の先端部にガンマ線検出器支持体４７，４８，ガンマ線検出器４６が配置されている。箱状のガンマ線検出器支持体４７，４８が互いに収納，取出される構造をしており、ガントリー１２の径方向に移動することによりガンマ線検出器４６はガントリー１２の径方向に移動することができる。ガンマ線検出器４６はガンマ線の位置と角度を検出し照射野位置を特定するため、照射野位置測定精度は照射野とガンマ線検出器４６の距離に比例する。ガンマ線検出器４６を患者１０１にできるだけ近づけることで照射野位置精度を向上することができる。ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４８に格納でき、ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４７に、ガンマ線検出器支持体４７はＸ線支持体４２にそれぞれ格納できる構造になっている。ガンマ線検出器４６，Ｘ線発生装置４３が共に不要な時、Ｘ線支持体４２はガントリー１２の壁面内に格納することができる。壁面に格納できることで、ガントリー１２の回転時にカウチ４１との衝突を防止することができる。本実施例はガンマ線検出器支持体が２段である。この段数と形状はガンマ線検出器４６の検出面が少なくともガントリー１２の回転中心位置まで移動できるように決定する。ガンマ線検出器４６はガンマ線検出器支持体４８に設置されたガンマ線検出器レール４９に固定されており、ガントリー１２の径方向と垂直な面内を移動できる。ガンマ線検出器４６は前記の通り、検出面７３の中心に垂直に入射したガンマ線に対する検出感度が最も高いため、検出面中心から引いた垂線上付近に照射野最深部が位置することが好ましい。なお、照射時、一般的に患部の中心にビーム軸が位置するため、ガンマ線検出器４６をガンマ線検出器支持体４８の面内で２次元的に動かすことが難しい場合、検出面中心から引いた垂線がビーム軸と常に交わるように配置することでビーム軸方向のみ移動できる構造で十分である。なお、照射野位置測定精度向上のためにはガンマ線検出器４６の照射時の位置精度が重要である。前記各駆動機構にはそれぞれポテンショメータを備え、ガンマ線検出器４６が配置された位置を測定する機構を備える。
【００２６】
本実施例はガンマ線検出器４６をＸ線支持体４２に配置することで常にビーム軸と垂直な位置を担保することができる。ビーム軸と常に垂直を保つことができる位置は他に図３のＦＰＤ４４が配置された位置と、ガントリー１２の回転軸上がある。ＦＰＤ４４の支持体にガンマ線検出器４６を配置すると照射中にＦＰＤがガントリー１２の壁面に格納できず、放射線による損傷を受ける可能性がある。この場合、ＦＰＤとは別の支持体とし、照射時ＦＰＤのみガントリー１２の壁面に格納できる構造とすることが好ましい。また、ＦＰＤ側とＸ線発生装置側の両側にガンマ線検出器４６を配置しても良い。両側から測定することにより信号量を増やすことができ、測定制度を向上することができる。ガントリー１２の回転軸上でのガンマ線検出器４６の設置位置として、ガントリー１２の壁面側と反対側（カウチ側）が考えられる。多くの治療では患者１０１はガントリー１２の回転軸と平行に近い状態で照射するため、頭部以外の照射ではガントリー１２の回転軸上にガンマ線検出器４６を配置しても患部にガンマ線検出器４６を近づけることが出来ず検出位置精度を向上することができない。しかし、カウチ４１を回転させ、ガントリー１２の回転軸と垂直に近い状態で照射する場合も存在する。この場合、ガントリー１２の回転軸上のガンマ線検出器４６により測定することで検出位置精度を向上させることができる。ガントリー１２の壁面側へ設置する場合、壁面から引き出せる構造とする。また、カウチ側へ配置する場合、ガントリー１２の外側の天井から引き出される構造とする。Ｘ線発生装置４３に配置したガンマ線検出器４６により多くの場合、精度良く照射野位置を測定できるが、ガントリー１２の回転軸上にもガンマ線検出器４６を配置することにより、全ての場合において照射野位置を精度良く測定することができる。
【００２７】
照射野確認システム６１が照射野を確認する手順の詳細を示す。
【００２８】
照射野確認システム６１は、イオンビームの照射中に取得したガンマ線検出器４６の検出データとガンマ線検出器４６を配置した位置データをガンマ線検出器制御装置５８経由で受け取る。また、照射野確認システム６１は、ビーム輸送系制御部５５からガントリー１２の回転角度の情報を受け取る。ガンマ線検出器４６の検出データを基にガンマ線検出器４６に固有の座標での個々の入射ガンマ線の入射角度と位置とエネルギーを計算する。計算した結果から、照射野確認システム６１は、ガンマ線検出器４６に垂直に入射したもののみを抽出する。また、励起状態の核から放出されるエネルギーが前記の通り数ＭｅＶであることからエネルギーが例えば１ＭｅＶ以上のものを抽出する。抽出したガンマ線の位置情報からビーム軸方向のガンマ線発生分布を求め、分布が急峻に減少する位置を照射野最深部の位置とする。求めた照射野最深部の位置を、ガントリー１２の回転角度とガンマ線検出器４６の位置の情報を用い、ガンマ線検出器４６の座標から治療室に固有の座標系に変換する。この照射野最深部位置はビーム軸に垂直な面として表される。照射野深部形状は一般的に様々であり、照射野最深部がビーム軸上とは限らない。よって、測定した結果を面として表す必要がある。また、照射野確認システム６１は治療計画システム５１から治療計画した照射野の情報を治療室に固有な座標系で受け取る。照射野確認システム６１は治療室に固有な座標系上で照射野最深部と治療計画した照射野形状を比較し、照射が計画通りに完了したことを確認する。
【００２９】
また、ガンマ線検出器４６の検出面へ、検出面に対し垂直以外の方向から入射したガンマ線の情報を用いて照射野深部形状を求めることができる。ガンマ線検出器４６に入射したガンマ線の角度分布を位置毎に求め、急峻に分布が減少する角度を求める。角度分布はガンマ線検出器４６の検出面に垂直な直線を回転軸として各角度に対し求めることができる。分布を求めた位置を通り、分布が減少する角度方向に直線を引くことでその直線は照射野形状の接線に相当する。この接線を位置毎，角度毎に求め、接線に接するような曲面を求めることで照射野形状を再構成することができる。
【００３０】
また、従来、照射装置２１が正常であることを確認するため、水ファントムを照射位置に配置し、水中で検出器を動かして深さ位置毎の線量値を計測することでイオンビームの飛程終端位置を測定している。照射位置に水ファントムなどを設置しガンマ線検出器４６を用いて患者１０１に照射したときと同様にイオンビームの飛程終端を測定することで従来方法より簡便に装置の正常動作を確認することができる。
【００３１】
また、ガンマ線検出器４６をロボットアームに装着することにより、ガントリー１２内で３次元的に自由に配置することが可能である。この場合、ロボットアームはカウチ４１と干渉しないため、ガントリー１２外の天井に設置されることが望ましい。
【００３２】
本実施形態では、ガントリー１２を回転させ照射装置２１の角度が変わった場合でもガンマ線検出器４６をビーム軸と垂直な方向に配置することができる。さらに、ガントリー１２の径方向の移動によりガンマ線検出器４６を患部により近づけることができる。さらに、ガンマ線検出器４６が、ガントリー１２の径方向と垂直な面内で移動することができる。このため、ガンマ線検出器４６を用いた場合が小さい場合でもガンマ線検出器４６の検出面の中心から引いた垂線が照射野の最深部付近となるように配置することができ、ガントリーで１２で様々な角度から照射した場合でも照射野位置を精度良く測定することができる。さらに、小さなガンマ線検出器４６を用いた場合であっても照射野を精度よく測定できる。
【００３３】
本実施形態では、照射対象にイオンビームを照射することによって生成される即発ガンマ線を検出して照射野の形状を測定するため、患者１０１に照射されたイオンビームの照射位置を精度よく測定することができる。これにより、信頼性の高い荷電粒子ビーム照射システムを提供することができる。なお、本実施形態は、消滅ガンマ線を検出して照射野の形状を測定する従来の技術と比較しても、精度よく測定することができる。
【００３４】
本実施形態は、イオンビームとして陽子線や重粒子線（炭素線等）を用いることができる。即発ガンマ線を検出して照射野の形状を測定する本実施形態は、特に、陽子線を用いる陽子線照射システムの場合に有効である。
【００３５】
本実施形態は、イオンビームを照射している間に、照射対象から放出される即発ガンマ線を検出し、照射野の形状を測定するのに必要な情報を収集できるため、患者１０１の生理現象による位置ずれが小さく、精度よく照射野の形状を測定することができる。また、照射野の形状を測定する時間を短縮でき、スループットが向上する。
【００３６】
本実施形態では、照射野確認システム６１が、ガンマ線検出器４６から出力される検出データのうち、エネルギーが１ＭｅＶ以上のものを有効なデータとして判別している。１ＭｅＶから１０ＭｅＶのエネルギーの検出データを有効なデータとして判別し、照射野を確認してもよい。これにより、照射野をさらに精度よく測定できる。
【００３７】
本実施形態では、シンクロトロン４を用いたが、サイクロトロンなどの他の加速器でも同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図３】図１に示した荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射室内を示す概念図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を示す図と制御システムのブロック構成図である。
【図５】図１に示した照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる線量分布を示す図である。
【図６】ガンマ線検出器の構成を示した概念図である。
【図７】図３の照射室内に配置したガンマ線検出器周辺を詳細に示す概念図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 荷電粒子ビーム発生装置
２ ビーム輸送系
３ ライナック
４ シンクロトロン
５ 高周波印加装置
６ 加速装置
７ 高周波印加電極
８ 高周波印加電源
９ スイッチ
１１ 出射用デフレクタ
１２ ガントリー
１４，１８ 四極電磁石
１５，１９，２０ 偏向電磁石
２１ 照射装置
２２ ビーム位置検出器
２３，２４ 走査電磁石
２５ 散乱体
２６ リッジフィルタ
２７ レンジシフタ
２８ 線量検出器
３０ コリメータ
３１ ボーラス
３２，４３ Ｘ線発生装置
３３ Ｘ線用レール
４０ 治療室
４１ カウチ
４２ Ｘ線支持体
４４，４５ ＦＰＤ
４６ ガンマ線検出器
４７，４８ ガンマ線検出器支持体
４９ ガンマ線検出器レール
５１ 治療計画システム
５２ ＣＴ装置
５３ 照射制御システム
５４ 加速器制御部
５５ ビーム輸送系制御部
５６ 照射装置制御部
５７ Ｘ線制御装置
５８ ガンマ線検出器制御装置
５９ カウチ制御装置
６０ 位置決めシステム
６１ 照射野確認システム
７１ 第一検出部
７２ 第二検出部
７３ 検出面
１０１ 患者
１０２ 患部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ガントリーと、
荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、
前記回転ガントリーに設けられ、前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器とを有し、
前記即発ガンマ線検出器を前記回転ガントリーに設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
前記ガンマ線検出器は、前記回転ガントリーの壁面から引き出すことができる構造物に配置したことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置を前記構造物に設置したことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
前記ガンマ線検出器は、前記回転ガントリーの径方向に移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
前記ガンマ線検出器は、ビーム軸方向に移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項６】
前記ガンマ線検出器は、前記ガントリーの径方向と垂直な面内で移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項７】
前記即発ガンマ線のエネルギーが１ＭｅＶから１０ＭｅＶであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
前記荷電粒子ビームが陽子線であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１】
回転ガントリーと、
荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、
前記回転ガントリーに設けられ、前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出するガンマ線検出器とを有し、
前記即発ガンマ線検出器を前記回転ガントリーに設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
前記ガンマ線検出器は、前記回転ガントリーの壁面から引き出すことができる構造物に配置したことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
Ｘ線を発生するＸ線発生装置を前記構造物に設置したことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
前記ガンマ線検出器は、前記回転ガントリーの径方向に移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
前記ガンマ線検出器は、ビーム軸方向に移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項６】
前記ガンマ線検出器は、前記ガントリーの径方向と垂直な面内で移動することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項７】
前記即発ガンマ線のエネルギーが１ＭｅＶから１０ＭｅＶであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
前記荷電粒子ビームが陽子線であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１７２２６１（Ｐ２００９−１７２２６１Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５７５７（Ｐ２００８−１５７５７）
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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