荷電粒子ビーム照射システム
【課題】
イオンビームで照射対象を照射し、即発ガンマ線の計測により照射野位置を測定するとき、照射野位置の計測精度を向上したいニーズがある。
【解決手段】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するコンプトンカメラと、照射対象とコンプトンカメラの間に配置され、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体と、コンプトンカメラからのガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えることで照射野の位置計測精度を向上することができる。
イオンビームで照射対象を照射し、即発ガンマ線の計測により照射野位置を測定するとき、照射野位置の計測精度を向上したいニーズがある。
【解決手段】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するコンプトンカメラと、照射対象とコンプトンカメラの間に配置され、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体と、コンプトンカメラからのガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えることで照射野の位置計測精度を向上することができる。
【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（特許文献１）。
【０００３】
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（非特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【特許文献２】特開２００１−３０５２３３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)
【非特許文献２】“Review of Scientific Instruments Vol.64 No.8”(1993年8月）（p.2055〜2122)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、荷電粒子ビーム照射システムにおいて、荷電粒子ビームの照射野を精度良く確認すべく、検討を行った。その結果、ガンマ線検出器としてコンプトンカメラを用い、即発ガンマ線を測定して照射野の位置を確認する方法が有効であることを見出した。
【０００６】
ここで、即発ガンマ線を測定することにより照射野を確認する場合、照射野から発生するガンマ線のエネルギーは数１００ｋｅＶから数ＭｅＶまで様々である。このうち１ＭｅＶ未満のガンマ線は、照射野で発生した後ガンマ線検出器に到達するまでに散乱してしまう可能性が高い。一方、１ＭｅＶ以上のエネルギーを持ったガンマ線は、ガンマ線検出器に到達するまでに散乱する可能性が低いため、１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線を有効な検出信号として扱うことが好ましい。このような場合、照射野で生成される数ＭｅＶのエネルギーを持つガンマ線（高エネルギーガンマ線）に対し、数１００ＫｅＶのガンマ線（低エネルギーガンマ線）がバックグラウンドとなる。コンプトンカメラは単位時間あたりの検出可能なガンマ線の数が決まっているため、低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器に多く入射すると、信号となる高エネルギーガンマ線を検出することが相対的に出来なくなり照射野の位置計測精度が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、荷電粒子ビームを照射した照射野の位置を精度良く測定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】
【０００８】
以上の目的を達成する本発明の特徴は、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、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コンプトンカメラとを有し、照射対象とコンプトンカメラとの間に、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体を配置することにある。特許文献２にはガンマ線検出器に入射するガンマ線のエネルギーを選別する方法として吸収体の設置が記されている。本発明の特徴は、前述の通り、ガンマ線検出器として即発ガンマ線用のガンマ線検出器を用い、照射対象とコンプトンカメラとの間に、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体を配置することにある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、数１００ｋｅＶの低エネルギーガンマ線を吸収体により吸収し、１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線は吸収体を透過してガンマ線検出器に入射するため、ガンマ線のバックグラウンドに対する信号の割合を改善することができ、照射野の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】
【００１０】
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１０について、図１を用いて説明する。
【００１１】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７及び制御システム７を備える。
【００１２】
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）及びシンクロトロン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（図示せず）及び高周波印加電源（図示せず）を備える。高周波印加電極と高周波印加電源はスイッチ（図示せず）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）及び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。出射用デフレクタ１１がシンクロトロン４とビーム輸送系２を接続する。
【００１３】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石（図示せず），偏向電磁石１４，偏向電磁石１５及びＵ字状偏向電磁石１６を有する。ビーム経路１２は、ビーム進行方向の上流側から四極電磁石，偏向電磁石１４及び偏向電磁石１５を備える。ビーム経路１２が、治療室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１４】
治療室１７内の構成について、図２を用いて説明する。治療室１７内には略筒状のガントリー１８が設置されている。ガントリー１８には、ビーム輸送系２の一部であるＵ字状の偏向電磁石１６、及び照射装置２１が設置されている。また、第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ，ガンマ線検出器２３が、ガントリー１８の回転胴の内側に設置される。ガントリー１８の内部にはカウチ２４と呼ばれる治療用ベッドが設置されている。
【００１５】
第１のＸ線撮像装置２２ａは、照射装置２１内に設置される第１のＸ線発生装置３５（図３）及び第１のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２６で構成される。第１のＸ線撮像装置２２ａは、イオンビームの照射方向（Ｚ軸方向）の透視画像を撮影する。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、第２のＸ線発生装置２７及び第２のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２８で構成される。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、照射装置２１から出射されるイオンビームのビーム軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の透視画像を撮影する。照射対象物が所望の位置に配置されていることを確認するために、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂを用いて直交する二つの方向から透視画像を撮影する。
【００１６】
ガンマ線検出器２３は、照射野が所望の位置に形成されたことを確認するためイオンビーム照射時に照射野から発生する即発ガンマ線を検出する。ガンマ線検出器２３は、照射装置２１から照射対象２５に入射したイオンビームが到達した位置を計測するため、ビーム軸とガントリー１８の回転軸に垂直な軸上に設置される。
【００１７】
ガントリー１８は、モーターにより回転可能な構造をしている。ガントリー１８の回転と共にＵ字状偏向電磁石１６と照射装置２１が回転する。この回転により、照射対象２５をガントリー１８の回転軸に垂直な平面内のいずれの方向からも照射することができる。ここで座標系を定義する。ガントリー１８の動径方向で照射装置２１に入射するビームの方向と一致する方向をＺ軸、ガントリー１８の回転軸の方向をＹ方向、Ｚ軸とＹ軸に直交する方向をＸ軸とする。ガントリー１８が回転するときＸ軸とＺ軸もガントリーの回転と共に回転するが、Ｙ軸は回転軸であるため向きを変えることはない。ガントリー１８に設置される第１のＸ線撮像装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ及びガンマ線検出器２３も、ガントリー１８の回転と共に回転する。ガンマ線検出器２３，第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、ガントリー１８が回転している間、カウチ２４との衝突を避けるため、ガントリー１８内の壁面内に格納できるような構造となっている。
【００１８】
図３を用いて、照射装置２１の構成について説明する。照射装置２１は、走査電磁石３１，走査電磁石３２，ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４及び第１のＸ線発生装置３５を有する。本実施の荷電粒子ビーム照射システム１０は、照射装置２１が二台の走査電磁石３１，３２を備え、ビーム進行方向と垂直な面内の二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にそれぞれイオンビームを偏向し、照射位置を変更する。ビーム位置検出器３３は、イオンビームの位置とイオンビームの広がりを計測する。線量モニタ３４は、照射されたイオンビームの量を計測する。ビーム位置検出器３３は、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれ一定間隔毎に平行にワイヤーが張られている。ワイヤーには高電圧がかけられており、イオンビームが通過すると検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は最も近いワイヤーに集められる。集められた荷電粒子量を測定する。イオンビームの広がりよりも十分に小さい間隔でワイヤーを張ることにより、ビームの分布を得ることができるので、ビーム位置（分布の重心）とビーム幅（分布の標準偏差）を算出することができる。線量モニタ３４は、二つの電極が平行平板型構造をしており、電極間に電圧が印加されている。イオンビームが線量モニタ（線量検出器）３４を通過すると、イオンビームにより、検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は検出器内電場により電極に集積し、信号となって読み出される。ここで、イオンビーム量と、電極に集積する電荷が比例するので通過したイオンビーム量を計測することができる。Ｘ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動することにより、Ｘ線撮影時のみビームライン上に配置される。照射対象２５内には照射標的３７があり、イオンビームを照射することで照射標的を覆うような線量分布を照射対象２５内に形成する。ここで癌などの治療の場合は、照射対象は人であり照射標的は腫瘍（患部）である。
【００１９】
本実施例の粒子線照射システムが備えている制御システム７について、図１を用いて説明する。制御システム７は、データベース（記憶装置）４２，機器制御システム４３，位置決めシステム４４及び照射野確認システム４５を備える。
【００２０】
機器制御システム４３は、中央制御装置４６，加速器制御部４７及び照射装置制御部４８を備える。中央制御装置４６は、加速器制御部４７及び照射装置制御部４８に接続される。また、中央制御装置４６は、データベース４２に接続される。中央制御装置４６は、データベース４２からデータを受け取り、加速器制御部４７と照射装置制御部４８に必要な情報を送信し制御する。加速器制御部４７は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２及びガントリー１８に接続され、これらを制御する。照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる励磁電流量の制御と照射装置２１内の各モニタ信号を処理する。
【００２１】
位置決めシステム４４は、位置決め装置４９，Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１を備える。位置決め装置４９は、Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１に接続される。また、位置決め装置４９は、データベース４２に接続される。Ｘ線装置制御部５０は、ガントリー１８内に設置された第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂに接続され、これらを制御する。カウチ制御部５１は、カウチ２４に接続され、カウチ２４を制御する。位置決め装置４９は、データベース４２からの情報と第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したデータに基づいてカウチ２４の移動量を算出し、カウチ制御部５１に移動量を送信する。
【００２２】
照射野確認システム４５は、照射野確認装置５２とガンマ線検出器制御部５３を備える。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器制御部５３，照射野確認装置５２及び照射装置制御部４８に接続される。照射野確認装置５２は、データベース４２に接続される。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器制御部５３から送られるガンマ線検出器のデータ（ガンマ線検出信号）を受け取り、ガンマ線検出信号及びデータベース４２からの情報に基づいて、照射野位置を確認する。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３の移動制御とガンマ線検出器２３から出力されるガンマ線検出データを処理する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、照射装置制御部４８から照射スポットの情報と照射開始・終了のタイミングを受け取る。
【００２３】
図４を用いて本実施例による粒子線照射システムにおける標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係について説明する。図４は、標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係を説明した図である。
【００２４】
図４（ａ）は、単一エネルギーのイオンビームが照射対象内に形成する線量分布を深さの関数として示している。図４（ａ）におけるピークをブラッグピークと称する。ブラッグピークの位置はエネルギーに依存するため、照射標的の深さに合わせイオンビームのエネルギーを調整することでブラッグピークの位置で照射標的を照射することができる。照射標的は深さ方向に厚みを持っているが、ブラッグピークは鋭いピークであるので、図４（ｂ）に表すようにいくつかのエネルギーのイオンビームを適切な強度の割合で照射し、ブラッグピークを重ね合わせることで深さ方向に照射標的と同じ厚みを持った一様な高線量領域（ＳＯＢＰ）を形成する。
【００２５】
図５を用いて、ビーム軸に垂直な方向（ＸＹ平面の方向）の照射標的の横方向の広がりとイオンビームの関係について説明する。ビーム軸に垂直な方向を横方向と呼ぶ。イオンビームは照射装置２１に達した後、互いに垂直に設置された二台の走査電磁石３１，３２により横方向の所望の位置へと到達する。イオンビームの横方向の広がりはガウス分布形状で近似することができる。ガウス分布を等間隔で配置し、その間の距離をガウス分布の標準偏差程度にすることで、足し合わされた分布は一様な領域を有する。このように配置されるガウス分布状の線量分布をスポットと呼ぶ。イオンビームを走査し複数のスポットを等間隔に配置することで横方向に一様な線量領域を形成することができる。
【００２６】
以上により、走査電磁石による横方向へのビーム走査と、ビームエネルギー変更による深さ方向へのブラッグピークの移動により均一な照射野を形成することができる。なお、同一のエネルギーで照射され、走査電磁石によるイオンビーム走査により横方向へ広がりを持つ照射野の単位をスライスと呼ぶ。
【００２７】
イオンビームを照射標的３７に照射する前に、照射計画システム４１が照射に必要な各パラメータを決定する。照射計画システム４１によるパラメータの決定方法について説明する。
【００２８】
予め照射対象２５をＣＴ装置４０にて撮影する。ＣＴ装置４０は、取得した撮像データに基づいて照射対象２５の画像データを作成し、画像データを照射計画システム４１に送信する。照射計画システム４１は、受け取った画像データを、表示装置（図示せず）の画面上に表示する。オペレータが画像上で照射したい領域を指定すると、照射計画システム４１は照射に必要なデータを作成し、そのデータで照射したときの線量分布を求める。照射計画システム４１は、求めた線量分布を表示装置に表示する。照射したい領域は照射標的３７を覆うように指定する。照射計画システム４１は、指定された領域に線量分布を形成できるような照射対象の設置位置，ガントリー角度，照射パラメータ，ガンマ線検出器２３の設置位置を求めて決定する。また、照射計画システム４１は、カウチ２４の初期位置を決定する。
【００２９】
照射計画システム４１が求める照射パラメータには、イオンビームのエネルギー，ビーム軸に垂直な平面内の位置情報（Ｘ座標，Ｙ座標）、各位置に照射するイオンビームの目標線量が含まれる（図６）。つまり、照射計画システム４１は、オペレータが入力した患者情報に基づいて、照射標的（患部）３７を深さ方向の複数のスライスに分割し、必要となるスライス数Ｎを決定する。また、照射計画システム４１は、それぞれのスライス（スライス番号ｉ）の深さに応じた照射に適したイオンビームのエネルギーＥｉを求める。照射計画システム４１は、さらに、各スライスの形状に応じて、イオンビームを照射する照射スポットの数Ｎｉ，スポット番号ｊ，各スポットの照射位置，各スポットの目標線量（目標照射量）Ｄijを決定する。スポットの照射位置（Ｘij，Ｙij）が、照射対象のビーム進行方向（深さ方向）と垂直な平面における目標照射位置となる。
【００３０】
ガンマ線検出器２３の設置位置について説明する。図７は、照射対象内にスポットを形成する様子を示している。ガンマ線検出器２３は、ビーム軸方向（Ｚ方向）のイオンビームの到達位置を計測する。ガンマ線検出器２３は検出器の中央Ｚｃが最も検出感度が高い。そのため、照射計画システム４１は、計算したビーム軸上の照射野の深さ終端からビーム軸に垂直に引いた垂線上にガンマ線検出器２３の中央Ｚｃが位置するようにガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。また、可能な限りガンマ線検出器２３を照射対象に近づける（図７のＬを小さくする）ように、ガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。
【００３１】
照射計画システム４１は、決定したこれらの情報をデータベース４２に送信する。データベース４２は、照射計画システム４１から出力されたデータを記憶する。データベース４２に登録される各データのうち、照射パラメータのデータ構造を図６に示す。照射パラメータはスライス数Ｎと各スライスのデータを持つ。各スライスのデータはスライス番号ｉ，エネルギーＥｉ，スポット数Ｎｉ，各スポットのデータから構成される。スポットのデータはさらにスポット番号ｊ，照射位置（Ｘij，Ｙij），目標線量Ｄijから構成される。
【００３２】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０の運転方法について説明する。荷電粒子ビーム照射システム１０は、データベース４２に記憶された情報に基づいて、以下のように照射の準備を行う。
【００３３】
照射対象２５をカウチ２４に載せる。位置決め装置４９は、カウチ２４の初期位置情報をデータベース４２から取得する。位置決め装置４９から初期位置情報を受け取ったカウチ制御部５１は、カウチ２４を初期位置へ移動する。また、位置決め装置４９からの指令信号に基づいてＸ線装置制御部５０は、第１のＸ線発生装置３５の移動を開始する。第１のＸ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動してビーム軸上で停止する。第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６，２８がガントリー１８内の壁面内に格納されている場合、Ｘ線装置制御部５０は、これらをガントリー１８壁面から取り出し、所定の位置に配置させる。所定の位置に配置後、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより照射対象２５の撮影を開始する。第１のＸ線発生装置３５及び第２のＸ線発生装置２７でＸ線を生成し、照射対象に出射する。ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、それぞれからのＸ線を検出し、Ｘ線検出信号を出力する。位置決め装置４９は、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したＸ線検出信号に基づいて画像データを作成する。位置決め装置４９は、Ｘ線検出信号から求めた画像データと照射計画システム４１が出力した画像データを照合し、二つの情報の差分を計算して照射対象が所望の位置へ移動するためのカウチ２４の移動量を算出する。位置決め装置４９は、算出した値をカウチ制御部５１へ送信し、カウチ制御部５１は指定された値分、カウチ２４を移動し照射対象２５は所望の位置へと移動する。
【００３４】
照射野確認装置５２は、データベース４２から読み出したガンマ線検出器２３の設置位置情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取った設置位置情報に基づいて、ガンマ線検出器２３の移動を制御する。ガンマ線検出器２３は、Ｘ方向とＺ方向へレール（図示せず）上を移動することができ、その移動量はポテンショメータにより検出可能な構造をしている。ガンマ線検出器制御部５３がガンマ線検出器２３を所望の位置へ移動させることで、イオンビーム照射時に照射野から発生するガンマ線検出が可能な状態となる。
【００３５】
中央制御装置４６は、データベース４２からガントリー角度情報と照射パラメータ情報を受け取る。中央制御装置４６は、ガントリー角度情報を加速器制御部４７に送信する。加速器制御部４７は、受け取ったガントリー角度情報に基づいてガントリー１８を所望のガントリー角度へ移動する。また、中央制御装置４６は、受け取った照射パラメータに基づいて、各スライスのエネルギーＥｉに対応したシンクロトロン４とビーム輸送系２の電磁石を励磁する励磁電流量，高周波印加装置５が印加する高周波の値、加速装置６に印加する高周波の値を、中央制御装置４６が有するメモリ（図示せず）から参照し、加速器制御部４７へ送信する。また、中央制御装置４６は、各スポットに対し照射位置とそのエネルギーから走査電磁石３１，３２を励磁する電流量を算出し、スポットデータと共に照射装置制御部４８へ送信する。
【００３６】
図８を用いて、荷電粒子ビーム照射システム１０によるイオンビームの照射手順を説明する。中央制御装置４６は、照射開始信号と共に、スライス番号ｉ，スポット番号ｊ，エネルギー情報Ｅｉを加速器制御部４７に出力する。最初の照射開始が合図されると、スライス番号ｉ＝１，スポット番号ｊ＝１から照射を開始する。照射開始信号を受け取った加速器制御部４７はイオン源を起動する。イオン源で発生したイオン（例えば陽子（又は炭素イオン））は、ライナック３に入射される。ライナック３は、イオンを加速して出射する。ライナック３からのイオンビームは、シンクロトロン４へ入射される。ステップ１０１で、加速器制御部４７は、シンクロトロン４の電磁石と加速装置６を制御し、ライナック３から入射されたイオンビームをスライス番号１のエネルギーＥ１まで加速する。つまり、加速器制御部４７が、荷電粒子ビーム発生装置を制御し、イオンビームを所望のエネルギーまで加速する。この加速は、高周波電源から、高周波加速空洞に高周波を印加すること（シンクロトロン４を周回するイオンビームに、高周波電力によってエネルギーを与えること）によって行われる。また、加速器制御部４７は、ビーム輸送系２の電磁石の励磁量を制御し、加速したエネルギーのイオンビームを照射装置２１へ輸送できる状態とする。
【００３７】
ステップ１０２でイオンビームの加速が完了しビーム輸送系２の準備が整うと、加速器制御部４７は、照射装置制御部４８へ出射準備完了信号を送信する。
【００３８】
ステップ１０３で、出射準備完了信号を受け取った照射装置制御部４８は、スライス１，スポット１に対応する中央制御装置４６が計算した励磁電流量で走査電磁石３１及び走査電磁石３２を励磁する。また、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３へスライス番号とスポット番号を出力する。本実施例では、スライス番号が、照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報である。また、スポット番号が、照射対象の深さ方向と垂直な平面におけるイオンビームの目標照射位置情報である。
【００３９】
ステップ１０４で照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる電流が所望の値になったことを確認し、出射信号を加速器制御部４７とガンマ線検出器２３へ送信する。
【００４０】
ステップ１０５で出射信号を受け取った加速器制御部４７は、高周波印加装置を制御してシンクロトロン４からのイオンビームの出射を開始する。つまり、スイッチを繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波を印加する。また、出射信号を受け取ったガンマ線検出器２３はガンマ線の計測を開始する。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。出射されたイオンビームはビーム輸送系２を通過して照射装置２１へ入射し走査電磁石３１，３２で走査された後、ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４を通過して照射対象に到達し線量を付与して停止する。イオンビームが照射された照射対象からは、ガンマ線（即発ガンマ線）が放出される。ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出し、ガンマ線検出データをガンマ線検出器制御部５３へ出力する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取ったガンマ線検出データを、スライス番号，スポット番号と共に、照射野確認装置５２に出力する。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出データを受け取る毎に、それに対応するスライス番号及びスポット番号を付与し、これらを一組のデータとして照射野確認装置５２に出力する。照射野確認装置５２は、データを記憶装置（図示せず）に記憶する。なお、ガンマ線検出器制御部５３の記憶装置（図示せず）に記録して、一括のデータとして照射野確認装置５２に出力しても良い。
【００４１】
ステップ１０６で出射中、照射装置制御部４８は、線量モニタ３４から受け取ったビーム線量信号をカウントして各スポットでの照射線量を求め、カウントした照射線量がスポットデータの目標線量に達したか否かを判断する。
【００４２】
照射装置制御部４８は照射線量が目標線量に達したと判断すると、ステップ１０７で加速器制御部４７とガンマ線検出器制御部５３へ出射停止信号を出力する。また、イオンビームの照射中、ビーム位置検出器３３は位置検出信号を照射装置制御部４８に出力する。照射装置制御部４８は、位置検出信号に基づいてビーム位置を算出し、算出したビーム位置とスポットデータの照射位置との差が所定の閾値以下であることを確認する。
【００４３】
ステップ１０８で出射停止信号を受信した加速器制御部４７は高周波印加装置を制御して出射を停止する。高周波印加電極と高周波印加電源をつなぐスイッチ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が停止する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、出射停止信号を受信するとガンマ線の測定を停止する。こうしてスライス番号１，スポット番号１の照射を完了する。
【００４４】
ステップ１０９で照射装置制御部４８は、スライス番号１のスポット数Ｎ１とスポット番号ｊを比較する。スポット番号ｊがスポット数に達しない場合、次のスポット番号ｊ＋１のスポットの照射を開始するためステップ１０３の動作を開始する。スポット番号ｊがスポット数Ｎ１に達した場合、照射装置制御部４８は加速器制御部４７へ減速信号を出力し、ステップ１１０で加速器制御部４７はシンクロトロン４の電磁石を制御してシンクロトロン４内に残っているイオンビームを減速する。
【００４５】
ステップ１１１でスライス番号ｉとスライス数Ｎを比較しスライス番号ｉがスライス数Ｎに達しない場合ステップ１０１に移り次のスライスｉ＋１の照射準備を開始する。スライス番号ｉがスライス数Ｎに達すると照射完了となる。
【００４６】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき照射野からガンマ線が発生する。ガンマ線を検出し、ガンマ線の発生位置を特定することで、照射野の位置を確認することができる。イオンビームを照射中、ガンマ線検出器制御部５３に対しスライス番号，スポット番号と共に出射信号，出射停止信号を送信し、ガンマ線を検出したとき照射中のスポットと検出したガンマ線を関連付ける。つまり、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号のようにイオンビームを識別できる情報と関連付けられたガンマ線検出信号を受け取り、スライス番号及びスポット番号（イオンビームの識別情報）に基づいて、ガンマ線検出信号を識別する。
【００４７】
照射野確認装置５２は、スライス番号とスポット番号に基づいてビーム進行方向に垂直な方向のイオンビームの照射位置を特定し、この照射位置情報とガンマ線検出信号から即発ガンマ線が発生した位置を特定して照射野を求める。
【００４８】
照射野からガンマ線が発生する過程について説明する。ガンマ線は主に二つの過程から生成する。ひとつは制動放射によるもので、もうひとつは核反応によるものである。制動放射過程は荷電粒子が電磁場の影響により軌道を曲げられたことでガンマ線を放出する現象であり、比較的低いエネルギー（＜１ＭｅＶ）のガンマ線が発生する。核反応過程はイオンビームが照射対象を構成する原子核と核反応を起こす。核反応により照射対象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。このとき放出されるガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ程度と比較的高い。以下、１ＭｅＶ未満のエネルギーのガンマ線を低エネルギーガンマ線、１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線を高エネルギーガンマ線という。
【００４９】
ガンマ線は光電吸収，コンプトン散乱，対生成の３つの過程で物質と反応する。３つの反応はガンマ線のエネルギーにより反応確率が異なり、数ＭｅＶのガンマ線が物質と相互作用する場合、コンプトン散乱過程が最も支配的な反応過程である。この理由から照射野から発生したガンマ線を測定するにはガンマ線検出器２３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。
【００５０】
本実施例では、ガンマ線検出器２３として図９に示すコンプトンカメラを例にとって使用する。図９にコンプトンカメラの概念図を示す。
【００５１】
コンプトンカメラ６０は、第一検出部６１と第二検出部６２を備える。また、コンプトンカメラの第一検出部６１と照射対象の間には吸収体６４が取り付けられている。ガンマ線の検出面６３は、第二検出部６２から遠い面であり、検出面６３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部６１は、キセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面６３に高電圧がかけられている。第一検出部６１と第二検出部６２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６２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。吸収体６４は、数mmの板状で検出面６３に接している。吸収体６４は、低エネルギーガンマ線を吸収して第一検出部６１に入射するのを防ぐ。吸収体６４は、原子番号の大きな材質が好ましく、特に、鉛またはタングステンが好ましい。原子番号が７２以上で安定であり、常温で固体の金属が好ましく、特にその中で最も原子番号の大きな鉛が好ましい。また、鉛が使用できないような場合、比較的安価に入手可能なタングステンでも良い。本実施例の特徴はガンマ線検出器（コンプトンカメラ）と照射対象の間にこの吸収体６４を備えたことである。なお、吸収体６４は照射対象とガンマ線検出器の間に配置されていれば良く、ガンマ線検出器に接している必要はない。
【００５２】
コンプトンカメラ６０にガンマ線が入射すると、第一検出部６１内でコンプトン散乱が起きる。図９の実線はガンマ線の軌跡を表し、点線は反跳電子の軌跡を現す。ガンマ線は、第一検出部６１で散乱してエネルギーを損失し、第二検出部６２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６１内の気体を電離しながら進む。第一検出部６１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６２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。
【００５３】
第二検出部６２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６２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位置とエネルギーがわかる。
【００５４】
入射したガンマ線は第一検出部６１でコンプトン散乱した後、第二検出部６２に到達する必要がある。検出面６３の端から入射した場合、第二検出部６２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６３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。
【００５５】
なお、第一検出部６１，第二検出部６２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６１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６１での反応確率を向上することができる。また第二検出部６２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。
【００５６】
照射野から発生したガンマ線は照射対象内と大気中を通過し、吸収体６４に到達する。
【００５７】
照射野から発生するガンマ線は制動放射による発生と核反応による発生があるため、ガンマ線のエネルギー分布は１００ｋｅＶ以下の低いエネルギーから１０ＭｅＶ程度の高いエネルギーまで広がっている。ガンマ線が物質と反応する確率は低エネルギーほど高い。そのため、低エネルギーのガンマ線は、照射野で発生した後、ガンマ線検出器へ到達するまでに照射対象内などでコンプトン散乱反応等を起こし、その軌道を曲げられている可能性が高い。軌道が曲げられたガンマ線をガンマ線検出器により検出したとしても、その検出データからはガンマ線の正しい発生位置の情報を得ることができない。このように、低エネルギーガンマ線は、照射野を確認するにはノイズとなる。よって、高エネルギーのガンマ線を用いて照射野を再構成することが好ましい。
【００５８】
ここで、吸収体とガンマ線との反応について説明する。吸収体６４を設置することで、低エネルギーのガンマ線の多くは吸収体に吸収されてガンマ線検出器２３に到達しなくなる。一方、高エネルギーのガンマ線の多くは吸収体に吸収されずガンマ線検出器に到達する。低エネルギーガンマ線は物質と光電吸収反応を起こす確率が高く、高エネルギーガンマ線はコンプトン散乱を起こす確率が高い。光電吸収反応は原子番号が大きい物質ほど反応を起こし易く、コンプトン散乱は物質の種類に因らず反応確率が一定となる性質がある。以上から、特に原子番号の大きな物質を材質に採用することで、この効果はより大きくなる。
【００５９】
本来、高エネルギーガンマ線は吸収体と反応を起こさないことが好ましいが一定の割合で反応を起こす。原子番号の大きい材質を吸収体として用いることでより少ない高エネルギーガンマ線の損失で、より多くの低エネルギーガンマ線を吸収することができる。
【００６０】
以上の説明のとおり、吸収体を設置することで、ノイズ成分となる低エネルギーガンマ線の多くがガンマ線検出器に入射することを抑制することができる。このことにより得られる効果を説明する。
【００６１】
ガンマ線検出器が前記のコンプトンカメラの場合、入射ガンマ線のエネルギーを計測することができる。データ収集後、低エネルギーガンマ線の情報を排除して照射野の位置を算出することは可能である。しかし、コンプトンカメラ内でコンプトン散乱反応が起きた場合、反跳電子の軌跡上から電離電子が電荷検出器へ向かう。この電離電子が電荷検出器へ移動する間に検出器に入射したガンマ線は検出することができない。例えば低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器内で反応を起こし、直後に高エネルギーガンマ線が入射すると高エネルギーガンマ線を検出することができない。このように低エネルギーガンマ線のガンマ線検出器への入射は信号となる高エネルギーガンマ線の計測数を削減してしまう。吸収体を設けて低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器へ入射することを防ぐことにより、有効な信号となるガンマ線の検出数減少を防ぐことができる。信号数が多いことで照射野計測精度を高くすることができる。
【００６２】
なお、吸収体の厚みはその材質により異なる。また、低エネルギーガンマ線と高エネルギーガンマ線の照射対象から放出される割合は照射野から照射対象表面までの距離に依存する。よって、吸収体の厚みは照射計画を参照し、照射野から照射対象表面までの距離に応じて設定することでより、信号とノイズの比を改善することができ照射野の位置計測精度を改善することができる。このため、吸収体は板状の構造を重ね合わせることで厚みを変更できるような構造とすることが好ましい。また、吸収体６４は、ガンマ線検出器２３の検出面６３（第一検出部６１）の全面を覆うように配置することが好ましい。このような構成により、ノイズとなる低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器に入射することをより防ぐことができるようになる。
【００６３】
また、エネルギーを計測できないようなガンマ線検出器を使用する場合、ガンマ線検出器で収集する信号に対するノイズの割合を削減することができる。ノイズの割合を減らすことで照射野位置の検出精度を高くすることができる。
【００６４】
以上の通りガンマ線検出器により検出したガンマ線検出データから照射野を再構成する方法について説明する。
【００６５】
イオンビームの照射中、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３にスライス番号ｉ，スポット番号ｊを送信する。また、照射装置制御部４８は、出射信号及び出射停止信号をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、出射信号を受け取るとガンマ線の検出を開始し、ガンマ線検出データを収集する。ここで得られたガンマ線検出データは、スライス番号ｉ，スポット番号ｊと共に照射野確認装置５２に出力される。出射停止信号を受け取ると、データ収集を停止する。
【００６６】
照射野確認装置５２は、ガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線検出器２３へのガンマ線の入射位置，入射方向，エネルギーを求める。本実施例では、照射野確認装置５２が求めたガンマ線のうち、エネルギーが１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線検出データを有効なデータとする。照射野確認装置５２はデータベース４２から、スライス番号ｉ，スポット番号ｊに対応した照射位置（Ｘij，Ｙij）を読み取る。図１０に照射対象内にスポットを形成する様子を示す。ガンマ線の入射位置のＺ座標をＺ１、入射角度のＸ−Ｚ平面への射影した角度をθ、ガンマ線検出器と照射位置の距離をＬとする。Ｌはガンマ線検出器２３の位置とＸijから計算する。Ｚij＝Ｚ１＋Ｌcosθを計算することで、ガンマ線の発生位置のＺ座標を特定することができる。以上によりガンマ線の発生位置を（Ｘij，Ｙij，Ｚij）とする。
【００６７】
ここで、データベース４２に記録されている照射位置はスポットの中心位置を示すがスポットは有限の広がりを持っている。ガンマ線発生位置のＸ方向の位置はスポットの広がりの分だけ特定することはできないが、ガンマ線検出器と照射位置との距離に比べてスポットの広がりは十分に小さいため、スポット中心位置からガンマ線が発生したと仮定して計算できる。このようにして、照射野確認装置５２は、取得したガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線が発生した照射標的内の発生位置（Ｘij，Ｙij，Ｚij）を求め、その分布を作成することで照射野形状を再構成することができる。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器２３（コンプトンカメラ）からのガンマ線検出信号に基づいて、照射装置２１から出射されたイオンビームによる照射野を求める。
【００６８】
照射野確認装置５２は、データベース４２から照射前にＣＴ装置４０により撮影したＣＴ画像と照射計画システム４１が計算した線量分布を受信する。その後、ガンマ線検出データから求めた線量分布と照射計画システム４１が計算した線量分布を、表示装置（図示せず）のＣＴ画像上に表示する。オペレータ等は、計画した線量分布と実際の照射により形成された線量分布形状の違いを確認することができる。なお、照射野確認装置５２が生成するデータは、線量分布形状に限定されず、深さ方向（ビーム進行方向）の最深部での照射位置に関するデータであっても良い。この場合、ガンマ線検出データに基づいて求められた最深部の照射位置と照射計画システム４１が計算した照射位置を、表示装置のＣＴ画像上に表示する。これにより、オペレータ等は、事前に計画した線量位置と実際の照射による照射最深部の違いを確認することができる。
【００６９】
本実施例によれば、ガンマ線検出器の第一検出部６１と照射対象の間に吸収体６４を配置したため、１ＭｅＶ未満の低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器２３に入射するのを防ぐことができる。また、照射野の確認に有効な１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線は、吸収体を通過してガンマ線検出器２３に入射する。このため、照射野の確認に有効な１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線をより多く検出でき、照射野の位置を精度良く求めることができる。また、ガンマ線のバックグラウンド（ノイズ）に対する有効な信号の割合を多くでき、さらに照射野の位置を精度良く測定することができるようになる。
【００７０】
本実施例では、吸収体６４がガンマ線検出器に接するように配置されているため、吸収体をガンマ線検出器に固定でき、設置するのが容易となる。本実施例によれば、吸収体６４の厚みを可変にできるため、各照射対象に適した吸収体を設置でき、有効な信号に対するノイズの割合を更に低くすることができる。これにより、より正確な照射野を測定することができる。
【００７１】
なお、本実施例はスポットスキャニング法により照射野を形成した場合について記載したが他の照射野形成方法についても同様に適用することができる。他の照射野形成方法については非特許文献２に記載がある。
【００７２】
また、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置としてシンクロトロンを用いた場合について説明したが、サイクロトロンでも同様に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【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治療室の構成を示す概念構成を表す図である。
【図３】図２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４】図２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深さ方向の線量分布を示す図である。
【図５】図２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横方向の線量分布を示す図である。
【図６】図１に示したデータベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【図７】図２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スポットの様子を示した概念図である。
【図８】照射する手順を示したブロック構成図である。
【図９】図２に示したガンマ線検出器の構成を示す横断図面である。
【図１０】図２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スポットの様子を示した概念図である。
【符号の説明】
【００７４】
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 制御システム
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１５ 偏向電磁石
１６ Ｕ字状偏向電磁石
１７ 治療室
１８ ガントリー
２１ 照射装置、
２２ａ 第１のＸ線撮像装置
２２ｂ 第２のＸ線撮像装置
２３ ガンマ線検出器
２４ カウチ
２５ 照射対象
２６，２８ ＦＰＤ
２７，３５ Ｘ線発生装置
３１，３２ 走査電磁石
３３ ビーム位置検出器
３４ 線量モニタ
３６ Ｘ線発生装置用レール
３７ 照射標的
４０ ＣＴ装置
４１ 照射計画システム
４２ データベース
４３ 機器制御システム
４４ 位置決めシステム
４５ 照射野確認システム
４６ 中央制御装置
４７ 加速器制御部
４８ 照射装置制御部
４９ 位置決め装置
５０ Ｘ線装置制御部
５１ カウチ制御部
５２ 照射野確認装置
５３ ガンマ線検出器制御部
６０ コンプトンカメラ
６１ 第一検出部
６２ 第二検出部
６３ 検出面
６４ 吸収体
【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（特許文献１）。
【０００３】
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（非特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【特許文献２】特開２００１−３０５２３３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)
【非特許文献２】“Review of Scientific Instruments Vol.64 No.8”(1993年8月）（p.2055〜2122)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、荷電粒子ビーム照射システムにおいて、荷電粒子ビームの照射野を精度良く確認すべく、検討を行った。その結果、ガンマ線検出器としてコンプトンカメラを用い、即発ガンマ線を測定して照射野の位置を確認する方法が有効であることを見出した。
【０００６】
ここで、即発ガンマ線を測定することにより照射野を確認する場合、照射野から発生するガンマ線のエネルギーは数１００ｋｅＶから数ＭｅＶまで様々である。このうち１ＭｅＶ未満のガンマ線は、照射野で発生した後ガンマ線検出器に到達するまでに散乱してしまう可能性が高い。一方、１ＭｅＶ以上のエネルギーを持ったガンマ線は、ガンマ線検出器に到達するまでに散乱する可能性が低いため、１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線を有効な検出信号として扱うことが好ましい。このような場合、照射野で生成される数ＭｅＶのエネルギーを持つガンマ線（高エネルギーガンマ線）に対し、数１００ＫｅＶのガンマ線（低エネルギーガンマ線）がバックグラウンドとなる。コンプトンカメラは単位時間あたりの検出可能なガンマ線の数が決まっているため、低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器に多く入射すると、信号となる高エネルギーガンマ線を検出することが相対的に出来なくなり照射野の位置計測精度が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、荷電粒子ビームを照射した照射野の位置を精度良く測定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】
【０００８】
以上の目的を達成する本発明の特徴は、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、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コンプトンカメラとを有し、照射対象とコンプトンカメラとの間に、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体を配置することにある。特許文献２にはガンマ線検出器に入射するガンマ線のエネルギーを選別する方法として吸収体の設置が記されている。本発明の特徴は、前述の通り、ガンマ線検出器として即発ガンマ線用のガンマ線検出器を用い、照射対象とコンプトンカメラとの間に、１ＭｅＶ未満のエネルギーの即発ガンマ線を吸収する吸収体を配置することにある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、数１００ｋｅＶの低エネルギーガンマ線を吸収体により吸収し、１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線は吸収体を透過してガンマ線検出器に入射するため、ガンマ線のバックグラウンドに対する信号の割合を改善することができ、照射野の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】
【００１０】
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１０について、図１を用いて説明する。
【００１１】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７及び制御システム７を備える。
【００１２】
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）及びシンクロトロン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（図示せず）及び高周波印加電源（図示せず）を備える。高周波印加電極と高周波印加電源はスイッチ（図示せず）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）及び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。出射用デフレクタ１１がシンクロトロン４とビーム輸送系２を接続する。
【００１３】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石（図示せず），偏向電磁石１４，偏向電磁石１５及びＵ字状偏向電磁石１６を有する。ビーム経路１２は、ビーム進行方向の上流側から四極電磁石，偏向電磁石１４及び偏向電磁石１５を備える。ビーム経路１２が、治療室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１４】
治療室１７内の構成について、図２を用いて説明する。治療室１７内には略筒状のガントリー１８が設置されている。ガントリー１８には、ビーム輸送系２の一部であるＵ字状の偏向電磁石１６、及び照射装置２１が設置されている。また、第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ，ガンマ線検出器２３が、ガントリー１８の回転胴の内側に設置される。ガントリー１８の内部にはカウチ２４と呼ばれる治療用ベッドが設置されている。
【００１５】
第１のＸ線撮像装置２２ａは、照射装置２１内に設置される第１のＸ線発生装置３５（図３）及び第１のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２６で構成される。第１のＸ線撮像装置２２ａは、イオンビームの照射方向（Ｚ軸方向）の透視画像を撮影する。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、第２のＸ線発生装置２７及び第２のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２８で構成される。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、照射装置２１から出射されるイオンビームのビーム軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の透視画像を撮影する。照射対象物が所望の位置に配置されていることを確認するために、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂを用いて直交する二つの方向から透視画像を撮影する。
【００１６】
ガンマ線検出器２３は、照射野が所望の位置に形成されたことを確認するためイオンビーム照射時に照射野から発生する即発ガンマ線を検出する。ガンマ線検出器２３は、照射装置２１から照射対象２５に入射したイオンビームが到達した位置を計測するため、ビーム軸とガントリー１８の回転軸に垂直な軸上に設置される。
【００１７】
ガントリー１８は、モーターにより回転可能な構造をしている。ガントリー１８の回転と共にＵ字状偏向電磁石１６と照射装置２１が回転する。この回転により、照射対象２５をガントリー１８の回転軸に垂直な平面内のいずれの方向からも照射することができる。ここで座標系を定義する。ガントリー１８の動径方向で照射装置２１に入射するビームの方向と一致する方向をＺ軸、ガントリー１８の回転軸の方向をＹ方向、Ｚ軸とＹ軸に直交する方向をＸ軸とする。ガントリー１８が回転するときＸ軸とＺ軸もガントリーの回転と共に回転するが、Ｙ軸は回転軸であるため向きを変えることはない。ガントリー１８に設置される第１のＸ線撮像装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ及びガンマ線検出器２３も、ガントリー１８の回転と共に回転する。ガンマ線検出器２３，第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、ガントリー１８が回転している間、カウチ２４との衝突を避けるため、ガントリー１８内の壁面内に格納できるような構造となっている。
【００１８】
図３を用いて、照射装置２１の構成について説明する。照射装置２１は、走査電磁石３１，走査電磁石３２，ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４及び第１のＸ線発生装置３５を有する。本実施の荷電粒子ビーム照射システム１０は、照射装置２１が二台の走査電磁石３１，３２を備え、ビーム進行方向と垂直な面内の二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にそれぞれイオンビームを偏向し、照射位置を変更する。ビーム位置検出器３３は、イオンビームの位置とイオンビームの広がりを計測する。線量モニタ３４は、照射されたイオンビームの量を計測する。ビーム位置検出器３３は、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれ一定間隔毎に平行にワイヤーが張られている。ワイヤーには高電圧がかけられており、イオンビームが通過すると検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は最も近いワイヤーに集められる。集められた荷電粒子量を測定する。イオンビームの広がりよりも十分に小さい間隔でワイヤーを張ることにより、ビームの分布を得ることができるので、ビーム位置（分布の重心）とビーム幅（分布の標準偏差）を算出することができる。線量モニタ３４は、二つの電極が平行平板型構造をしており、電極間に電圧が印加されている。イオンビームが線量モニタ（線量検出器）３４を通過すると、イオンビームにより、検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は検出器内電場により電極に集積し、信号となって読み出される。ここで、イオンビーム量と、電極に集積する電荷が比例するので通過したイオンビーム量を計測することができる。Ｘ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動することにより、Ｘ線撮影時のみビームライン上に配置される。照射対象２５内には照射標的３７があり、イオンビームを照射することで照射標的を覆うような線量分布を照射対象２５内に形成する。ここで癌などの治療の場合は、照射対象は人であり照射標的は腫瘍（患部）である。
【００１９】
本実施例の粒子線照射システムが備えている制御システム７について、図１を用いて説明する。制御システム７は、データベース（記憶装置）４２，機器制御システム４３，位置決めシステム４４及び照射野確認システム４５を備える。
【００２０】
機器制御システム４３は、中央制御装置４６，加速器制御部４７及び照射装置制御部４８を備える。中央制御装置４６は、加速器制御部４７及び照射装置制御部４８に接続される。また、中央制御装置４６は、データベース４２に接続される。中央制御装置４６は、データベース４２からデータを受け取り、加速器制御部４７と照射装置制御部４８に必要な情報を送信し制御する。加速器制御部４７は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２及びガントリー１８に接続され、これらを制御する。照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる励磁電流量の制御と照射装置２１内の各モニタ信号を処理する。
【００２１】
位置決めシステム４４は、位置決め装置４９，Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１を備える。位置決め装置４９は、Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１に接続される。また、位置決め装置４９は、データベース４２に接続される。Ｘ線装置制御部５０は、ガントリー１８内に設置された第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂに接続され、これらを制御する。カウチ制御部５１は、カウチ２４に接続され、カウチ２４を制御する。位置決め装置４９は、データベース４２からの情報と第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したデータに基づいてカウチ２４の移動量を算出し、カウチ制御部５１に移動量を送信する。
【００２２】
照射野確認システム４５は、照射野確認装置５２とガンマ線検出器制御部５３を備える。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器制御部５３，照射野確認装置５２及び照射装置制御部４８に接続される。照射野確認装置５２は、データベース４２に接続される。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器制御部５３から送られるガンマ線検出器のデータ（ガンマ線検出信号）を受け取り、ガンマ線検出信号及びデータベース４２からの情報に基づいて、照射野位置を確認する。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３の移動制御とガンマ線検出器２３から出力されるガンマ線検出データを処理する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、照射装置制御部４８から照射スポットの情報と照射開始・終了のタイミングを受け取る。
【００２３】
図４を用いて本実施例による粒子線照射システムにおける標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係について説明する。図４は、標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係を説明した図である。
【００２４】
図４（ａ）は、単一エネルギーのイオンビームが照射対象内に形成する線量分布を深さの関数として示している。図４（ａ）におけるピークをブラッグピークと称する。ブラッグピークの位置はエネルギーに依存するため、照射標的の深さに合わせイオンビームのエネルギーを調整することでブラッグピークの位置で照射標的を照射することができる。照射標的は深さ方向に厚みを持っているが、ブラッグピークは鋭いピークであるので、図４（ｂ）に表すようにいくつかのエネルギーのイオンビームを適切な強度の割合で照射し、ブラッグピークを重ね合わせることで深さ方向に照射標的と同じ厚みを持った一様な高線量領域（ＳＯＢＰ）を形成する。
【００２５】
図５を用いて、ビーム軸に垂直な方向（ＸＹ平面の方向）の照射標的の横方向の広がりとイオンビームの関係について説明する。ビーム軸に垂直な方向を横方向と呼ぶ。イオンビームは照射装置２１に達した後、互いに垂直に設置された二台の走査電磁石３１，３２により横方向の所望の位置へと到達する。イオンビームの横方向の広がりはガウス分布形状で近似することができる。ガウス分布を等間隔で配置し、その間の距離をガウス分布の標準偏差程度にすることで、足し合わされた分布は一様な領域を有する。このように配置されるガウス分布状の線量分布をスポットと呼ぶ。イオンビームを走査し複数のスポットを等間隔に配置することで横方向に一様な線量領域を形成することができる。
【００２６】
以上により、走査電磁石による横方向へのビーム走査と、ビームエネルギー変更による深さ方向へのブラッグピークの移動により均一な照射野を形成することができる。なお、同一のエネルギーで照射され、走査電磁石によるイオンビーム走査により横方向へ広がりを持つ照射野の単位をスライスと呼ぶ。
【００２７】
イオンビームを照射標的３７に照射する前に、照射計画システム４１が照射に必要な各パラメータを決定する。照射計画システム４１によるパラメータの決定方法について説明する。
【００２８】
予め照射対象２５をＣＴ装置４０にて撮影する。ＣＴ装置４０は、取得した撮像データに基づいて照射対象２５の画像データを作成し、画像データを照射計画システム４１に送信する。照射計画システム４１は、受け取った画像データを、表示装置（図示せず）の画面上に表示する。オペレータが画像上で照射したい領域を指定すると、照射計画システム４１は照射に必要なデータを作成し、そのデータで照射したときの線量分布を求める。照射計画システム４１は、求めた線量分布を表示装置に表示する。照射したい領域は照射標的３７を覆うように指定する。照射計画システム４１は、指定された領域に線量分布を形成できるような照射対象の設置位置，ガントリー角度，照射パラメータ，ガンマ線検出器２３の設置位置を求めて決定する。また、照射計画システム４１は、カウチ２４の初期位置を決定する。
【００２９】
照射計画システム４１が求める照射パラメータには、イオンビームのエネルギー，ビーム軸に垂直な平面内の位置情報（Ｘ座標，Ｙ座標）、各位置に照射するイオンビームの目標線量が含まれる（図６）。つまり、照射計画システム４１は、オペレータが入力した患者情報に基づいて、照射標的（患部）３７を深さ方向の複数のスライスに分割し、必要となるスライス数Ｎを決定する。また、照射計画システム４１は、それぞれのスライス（スライス番号ｉ）の深さに応じた照射に適したイオンビームのエネルギーＥｉを求める。照射計画システム４１は、さらに、各スライスの形状に応じて、イオンビームを照射する照射スポットの数Ｎｉ，スポット番号ｊ，各スポットの照射位置，各スポットの目標線量（目標照射量）Ｄijを決定する。スポットの照射位置（Ｘij，Ｙij）が、照射対象のビーム進行方向（深さ方向）と垂直な平面における目標照射位置となる。
【００３０】
ガンマ線検出器２３の設置位置について説明する。図７は、照射対象内にスポットを形成する様子を示している。ガンマ線検出器２３は、ビーム軸方向（Ｚ方向）のイオンビームの到達位置を計測する。ガンマ線検出器２３は検出器の中央Ｚｃが最も検出感度が高い。そのため、照射計画システム４１は、計算したビーム軸上の照射野の深さ終端からビーム軸に垂直に引いた垂線上にガンマ線検出器２３の中央Ｚｃが位置するようにガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。また、可能な限りガンマ線検出器２３を照射対象に近づける（図７のＬを小さくする）ように、ガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。
【００３１】
照射計画システム４１は、決定したこれらの情報をデータベース４２に送信する。データベース４２は、照射計画システム４１から出力されたデータを記憶する。データベース４２に登録される各データのうち、照射パラメータのデータ構造を図６に示す。照射パラメータはスライス数Ｎと各スライスのデータを持つ。各スライスのデータはスライス番号ｉ，エネルギーＥｉ，スポット数Ｎｉ，各スポットのデータから構成される。スポットのデータはさらにスポット番号ｊ，照射位置（Ｘij，Ｙij），目標線量Ｄijから構成される。
【００３２】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０の運転方法について説明する。荷電粒子ビーム照射システム１０は、データベース４２に記憶された情報に基づいて、以下のように照射の準備を行う。
【００３３】
照射対象２５をカウチ２４に載せる。位置決め装置４９は、カウチ２４の初期位置情報をデータベース４２から取得する。位置決め装置４９から初期位置情報を受け取ったカウチ制御部５１は、カウチ２４を初期位置へ移動する。また、位置決め装置４９からの指令信号に基づいてＸ線装置制御部５０は、第１のＸ線発生装置３５の移動を開始する。第１のＸ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動してビーム軸上で停止する。第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６，２８がガントリー１８内の壁面内に格納されている場合、Ｘ線装置制御部５０は、これらをガントリー１８壁面から取り出し、所定の位置に配置させる。所定の位置に配置後、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより照射対象２５の撮影を開始する。第１のＸ線発生装置３５及び第２のＸ線発生装置２７でＸ線を生成し、照射対象に出射する。ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、それぞれからのＸ線を検出し、Ｘ線検出信号を出力する。位置決め装置４９は、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したＸ線検出信号に基づいて画像データを作成する。位置決め装置４９は、Ｘ線検出信号から求めた画像データと照射計画システム４１が出力した画像データを照合し、二つの情報の差分を計算して照射対象が所望の位置へ移動するためのカウチ２４の移動量を算出する。位置決め装置４９は、算出した値をカウチ制御部５１へ送信し、カウチ制御部５１は指定された値分、カウチ２４を移動し照射対象２５は所望の位置へと移動する。
【００３４】
照射野確認装置５２は、データベース４２から読み出したガンマ線検出器２３の設置位置情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取った設置位置情報に基づいて、ガンマ線検出器２３の移動を制御する。ガンマ線検出器２３は、Ｘ方向とＺ方向へレール（図示せず）上を移動することができ、その移動量はポテンショメータにより検出可能な構造をしている。ガンマ線検出器制御部５３がガンマ線検出器２３を所望の位置へ移動させることで、イオンビーム照射時に照射野から発生するガンマ線検出が可能な状態となる。
【００３５】
中央制御装置４６は、データベース４２からガントリー角度情報と照射パラメータ情報を受け取る。中央制御装置４６は、ガントリー角度情報を加速器制御部４７に送信する。加速器制御部４７は、受け取ったガントリー角度情報に基づいてガントリー１８を所望のガントリー角度へ移動する。また、中央制御装置４６は、受け取った照射パラメータに基づいて、各スライスのエネルギーＥｉに対応したシンクロトロン４とビーム輸送系２の電磁石を励磁する励磁電流量，高周波印加装置５が印加する高周波の値、加速装置６に印加する高周波の値を、中央制御装置４６が有するメモリ（図示せず）から参照し、加速器制御部４７へ送信する。また、中央制御装置４６は、各スポットに対し照射位置とそのエネルギーから走査電磁石３１，３２を励磁する電流量を算出し、スポットデータと共に照射装置制御部４８へ送信する。
【００３６】
図８を用いて、荷電粒子ビーム照射システム１０によるイオンビームの照射手順を説明する。中央制御装置４６は、照射開始信号と共に、スライス番号ｉ，スポット番号ｊ，エネルギー情報Ｅｉを加速器制御部４７に出力する。最初の照射開始が合図されると、スライス番号ｉ＝１，スポット番号ｊ＝１から照射を開始する。照射開始信号を受け取った加速器制御部４７はイオン源を起動する。イオン源で発生したイオン（例えば陽子（又は炭素イオン））は、ライナック３に入射される。ライナック３は、イオンを加速して出射する。ライナック３からのイオンビームは、シンクロトロン４へ入射される。ステップ１０１で、加速器制御部４７は、シンクロトロン４の電磁石と加速装置６を制御し、ライナック３から入射されたイオンビームをスライス番号１のエネルギーＥ１まで加速する。つまり、加速器制御部４７が、荷電粒子ビーム発生装置を制御し、イオンビームを所望のエネルギーまで加速する。この加速は、高周波電源から、高周波加速空洞に高周波を印加すること（シンクロトロン４を周回するイオンビームに、高周波電力によってエネルギーを与えること）によって行われる。また、加速器制御部４７は、ビーム輸送系２の電磁石の励磁量を制御し、加速したエネルギーのイオンビームを照射装置２１へ輸送できる状態とする。
【００３７】
ステップ１０２でイオンビームの加速が完了しビーム輸送系２の準備が整うと、加速器制御部４７は、照射装置制御部４８へ出射準備完了信号を送信する。
【００３８】
ステップ１０３で、出射準備完了信号を受け取った照射装置制御部４８は、スライス１，スポット１に対応する中央制御装置４６が計算した励磁電流量で走査電磁石３１及び走査電磁石３２を励磁する。また、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３へスライス番号とスポット番号を出力する。本実施例では、スライス番号が、照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報である。また、スポット番号が、照射対象の深さ方向と垂直な平面におけるイオンビームの目標照射位置情報である。
【００３９】
ステップ１０４で照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる電流が所望の値になったことを確認し、出射信号を加速器制御部４７とガンマ線検出器２３へ送信する。
【００４０】
ステップ１０５で出射信号を受け取った加速器制御部４７は、高周波印加装置を制御してシンクロトロン４からのイオンビームの出射を開始する。つまり、スイッチを繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波を印加する。また、出射信号を受け取ったガンマ線検出器２３はガンマ線の計測を開始する。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。出射されたイオンビームはビーム輸送系２を通過して照射装置２１へ入射し走査電磁石３１，３２で走査された後、ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４を通過して照射対象に到達し線量を付与して停止する。イオンビームが照射された照射対象からは、ガンマ線（即発ガンマ線）が放出される。ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出し、ガンマ線検出データをガンマ線検出器制御部５３へ出力する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取ったガンマ線検出データを、スライス番号，スポット番号と共に、照射野確認装置５２に出力する。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出データを受け取る毎に、それに対応するスライス番号及びスポット番号を付与し、これらを一組のデータとして照射野確認装置５２に出力する。照射野確認装置５２は、データを記憶装置（図示せず）に記憶する。なお、ガンマ線検出器制御部５３の記憶装置（図示せず）に記録して、一括のデータとして照射野確認装置５２に出力しても良い。
【００４１】
ステップ１０６で出射中、照射装置制御部４８は、線量モニタ３４から受け取ったビーム線量信号をカウントして各スポットでの照射線量を求め、カウントした照射線量がスポットデータの目標線量に達したか否かを判断する。
【００４２】
照射装置制御部４８は照射線量が目標線量に達したと判断すると、ステップ１０７で加速器制御部４７とガンマ線検出器制御部５３へ出射停止信号を出力する。また、イオンビームの照射中、ビーム位置検出器３３は位置検出信号を照射装置制御部４８に出力する。照射装置制御部４８は、位置検出信号に基づいてビーム位置を算出し、算出したビーム位置とスポットデータの照射位置との差が所定の閾値以下であることを確認する。
【００４３】
ステップ１０８で出射停止信号を受信した加速器制御部４７は高周波印加装置を制御して出射を停止する。高周波印加電極と高周波印加電源をつなぐスイッチ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が停止する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、出射停止信号を受信するとガンマ線の測定を停止する。こうしてスライス番号１，スポット番号１の照射を完了する。
【００４４】
ステップ１０９で照射装置制御部４８は、スライス番号１のスポット数Ｎ１とスポット番号ｊを比較する。スポット番号ｊがスポット数に達しない場合、次のスポット番号ｊ＋１のスポットの照射を開始するためステップ１０３の動作を開始する。スポット番号ｊがスポット数Ｎ１に達した場合、照射装置制御部４８は加速器制御部４７へ減速信号を出力し、ステップ１１０で加速器制御部４７はシンクロトロン４の電磁石を制御してシンクロトロン４内に残っているイオンビームを減速する。
【００４５】
ステップ１１１でスライス番号ｉとスライス数Ｎを比較しスライス番号ｉがスライス数Ｎに達しない場合ステップ１０１に移り次のスライスｉ＋１の照射準備を開始する。スライス番号ｉがスライス数Ｎに達すると照射完了となる。
【００４６】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき照射野からガンマ線が発生する。ガンマ線を検出し、ガンマ線の発生位置を特定することで、照射野の位置を確認することができる。イオンビームを照射中、ガンマ線検出器制御部５３に対しスライス番号，スポット番号と共に出射信号，出射停止信号を送信し、ガンマ線を検出したとき照射中のスポットと検出したガンマ線を関連付ける。つまり、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号のようにイオンビームを識別できる情報と関連付けられたガンマ線検出信号を受け取り、スライス番号及びスポット番号（イオンビームの識別情報）に基づいて、ガンマ線検出信号を識別する。
【００４７】
照射野確認装置５２は、スライス番号とスポット番号に基づいてビーム進行方向に垂直な方向のイオンビームの照射位置を特定し、この照射位置情報とガンマ線検出信号から即発ガンマ線が発生した位置を特定して照射野を求める。
【００４８】
照射野からガンマ線が発生する過程について説明する。ガンマ線は主に二つの過程から生成する。ひとつは制動放射によるもので、もうひとつは核反応によるものである。制動放射過程は荷電粒子が電磁場の影響により軌道を曲げられたことでガンマ線を放出する現象であり、比較的低いエネルギー（＜１ＭｅＶ）のガンマ線が発生する。核反応過程はイオンビームが照射対象を構成する原子核と核反応を起こす。核反応により照射対象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。このとき放出されるガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ程度と比較的高い。以下、１ＭｅＶ未満のエネルギーのガンマ線を低エネルギーガンマ線、１ＭｅＶ以上のエネルギーのガンマ線を高エネルギーガンマ線という。
【００４９】
ガンマ線は光電吸収，コンプトン散乱，対生成の３つの過程で物質と反応する。３つの反応はガンマ線のエネルギーにより反応確率が異なり、数ＭｅＶのガンマ線が物質と相互作用する場合、コンプトン散乱過程が最も支配的な反応過程である。この理由から照射野から発生したガンマ線を測定するにはガンマ線検出器２３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。
【００５０】
本実施例では、ガンマ線検出器２３として図９に示すコンプトンカメラを例にとって使用する。図９にコンプトンカメラの概念図を示す。
【００５１】
コンプトンカメラ６０は、第一検出部６１と第二検出部６２を備える。また、コンプトンカメラの第一検出部６１と照射対象の間には吸収体６４が取り付けられている。ガンマ線の検出面６３は、第二検出部６２から遠い面であり、検出面６３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部６１は、キセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面６３に高電圧がかけられている。第一検出部６１と第二検出部６２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６２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。吸収体６４は、数mmの板状で検出面６３に接している。吸収体６４は、低エネルギーガンマ線を吸収して第一検出部６１に入射するのを防ぐ。吸収体６４は、原子番号の大きな材質が好ましく、特に、鉛またはタングステンが好ましい。原子番号が７２以上で安定であり、常温で固体の金属が好ましく、特にその中で最も原子番号の大きな鉛が好ましい。また、鉛が使用できないような場合、比較的安価に入手可能なタングステンでも良い。本実施例の特徴はガンマ線検出器（コンプトンカメラ）と照射対象の間にこの吸収体６４を備えたことである。なお、吸収体６４は照射対象とガンマ線検出器の間に配置されていれば良く、ガンマ線検出器に接している必要はない。
【００５２】
コンプトンカメラ６０にガンマ線が入射すると、第一検出部６１内でコンプトン散乱が起きる。図９の実線はガンマ線の軌跡を表し、点線は反跳電子の軌跡を現す。ガンマ線は、第一検出部６１で散乱してエネルギーを損失し、第二検出部６２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６１内の気体を電離しながら進む。第一検出部６１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６２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。
【００５３】
第二検出部６２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６２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位置とエネルギーがわかる。
【００５４】
入射したガンマ線は第一検出部６１でコンプトン散乱した後、第二検出部６２に到達する必要がある。検出面６３の端から入射した場合、第二検出部６２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６３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。
【００５５】
なお、第一検出部６１，第二検出部６２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６１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６１での反応確率を向上することができる。また第二検出部６２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。
【００５６】
照射野から発生したガンマ線は照射対象内と大気中を通過し、吸収体６４に到達する。
【００５７】
照射野から発生するガンマ線は制動放射による発生と核反応による発生があるため、ガンマ線のエネルギー分布は１００ｋｅＶ以下の低いエネルギーから１０ＭｅＶ程度の高いエネルギーまで広がっている。ガンマ線が物質と反応する確率は低エネルギーほど高い。そのため、低エネルギーのガンマ線は、照射野で発生した後、ガンマ線検出器へ到達するまでに照射対象内などでコンプトン散乱反応等を起こし、その軌道を曲げられている可能性が高い。軌道が曲げられたガンマ線をガンマ線検出器により検出したとしても、その検出データからはガンマ線の正しい発生位置の情報を得ることができない。このように、低エネルギーガンマ線は、照射野を確認するにはノイズとなる。よって、高エネルギーのガンマ線を用いて照射野を再構成することが好ましい。
【００５８】
ここで、吸収体とガンマ線との反応について説明する。吸収体６４を設置することで、低エネルギーのガンマ線の多くは吸収体に吸収されてガンマ線検出器２３に到達しなくなる。一方、高エネルギーのガンマ線の多くは吸収体に吸収されずガンマ線検出器に到達する。低エネルギーガンマ線は物質と光電吸収反応を起こす確率が高く、高エネルギーガンマ線はコンプトン散乱を起こす確率が高い。光電吸収反応は原子番号が大きい物質ほど反応を起こし易く、コンプトン散乱は物質の種類に因らず反応確率が一定となる性質がある。以上から、特に原子番号の大きな物質を材質に採用することで、この効果はより大きくなる。
【００５９】
本来、高エネルギーガンマ線は吸収体と反応を起こさないことが好ましいが一定の割合で反応を起こす。原子番号の大きい材質を吸収体として用いることでより少ない高エネルギーガンマ線の損失で、より多くの低エネルギーガンマ線を吸収することができる。
【００６０】
以上の説明のとおり、吸収体を設置することで、ノイズ成分となる低エネルギーガンマ線の多くがガンマ線検出器に入射することを抑制することができる。このことにより得られる効果を説明する。
【００６１】
ガンマ線検出器が前記のコンプトンカメラの場合、入射ガンマ線のエネルギーを計測することができる。データ収集後、低エネルギーガンマ線の情報を排除して照射野の位置を算出することは可能である。しかし、コンプトンカメラ内でコンプトン散乱反応が起きた場合、反跳電子の軌跡上から電離電子が電荷検出器へ向かう。この電離電子が電荷検出器へ移動する間に検出器に入射したガンマ線は検出することができない。例えば低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器内で反応を起こし、直後に高エネルギーガンマ線が入射すると高エネルギーガンマ線を検出することができない。このように低エネルギーガンマ線のガンマ線検出器への入射は信号となる高エネルギーガンマ線の計測数を削減してしまう。吸収体を設けて低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器へ入射することを防ぐことにより、有効な信号となるガンマ線の検出数減少を防ぐことができる。信号数が多いことで照射野計測精度を高くすることができる。
【００６２】
なお、吸収体の厚みはその材質により異なる。また、低エネルギーガンマ線と高エネルギーガンマ線の照射対象から放出される割合は照射野から照射対象表面までの距離に依存する。よって、吸収体の厚みは照射計画を参照し、照射野から照射対象表面までの距離に応じて設定することでより、信号とノイズの比を改善することができ照射野の位置計測精度を改善することができる。このため、吸収体は板状の構造を重ね合わせることで厚みを変更できるような構造とすることが好ましい。また、吸収体６４は、ガンマ線検出器２３の検出面６３（第一検出部６１）の全面を覆うように配置することが好ましい。このような構成により、ノイズとなる低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器に入射することをより防ぐことができるようになる。
【００６３】
また、エネルギーを計測できないようなガンマ線検出器を使用する場合、ガンマ線検出器で収集する信号に対するノイズの割合を削減することができる。ノイズの割合を減らすことで照射野位置の検出精度を高くすることができる。
【００６４】
以上の通りガンマ線検出器により検出したガンマ線検出データから照射野を再構成する方法について説明する。
【００６５】
イオンビームの照射中、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３にスライス番号ｉ，スポット番号ｊを送信する。また、照射装置制御部４８は、出射信号及び出射停止信号をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、出射信号を受け取るとガンマ線の検出を開始し、ガンマ線検出データを収集する。ここで得られたガンマ線検出データは、スライス番号ｉ，スポット番号ｊと共に照射野確認装置５２に出力される。出射停止信号を受け取ると、データ収集を停止する。
【００６６】
照射野確認装置５２は、ガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線検出器２３へのガンマ線の入射位置，入射方向，エネルギーを求める。本実施例では、照射野確認装置５２が求めたガンマ線のうち、エネルギーが１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線検出データを有効なデータとする。照射野確認装置５２はデータベース４２から、スライス番号ｉ，スポット番号ｊに対応した照射位置（Ｘij，Ｙij）を読み取る。図１０に照射対象内にスポットを形成する様子を示す。ガンマ線の入射位置のＺ座標をＺ１、入射角度のＸ−Ｚ平面への射影した角度をθ、ガンマ線検出器と照射位置の距離をＬとする。Ｌはガンマ線検出器２３の位置とＸijから計算する。Ｚij＝Ｚ１＋Ｌcosθを計算することで、ガンマ線の発生位置のＺ座標を特定することができる。以上によりガンマ線の発生位置を（Ｘij，Ｙij，Ｚij）とする。
【００６７】
ここで、データベース４２に記録されている照射位置はスポットの中心位置を示すがスポットは有限の広がりを持っている。ガンマ線発生位置のＸ方向の位置はスポットの広がりの分だけ特定することはできないが、ガンマ線検出器と照射位置との距離に比べてスポットの広がりは十分に小さいため、スポット中心位置からガンマ線が発生したと仮定して計算できる。このようにして、照射野確認装置５２は、取得したガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線が発生した照射標的内の発生位置（Ｘij，Ｙij，Ｚij）を求め、その分布を作成することで照射野形状を再構成することができる。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器２３（コンプトンカメラ）からのガンマ線検出信号に基づいて、照射装置２１から出射されたイオンビームによる照射野を求める。
【００６８】
照射野確認装置５２は、データベース４２から照射前にＣＴ装置４０により撮影したＣＴ画像と照射計画システム４１が計算した線量分布を受信する。その後、ガンマ線検出データから求めた線量分布と照射計画システム４１が計算した線量分布を、表示装置（図示せず）のＣＴ画像上に表示する。オペレータ等は、計画した線量分布と実際の照射により形成された線量分布形状の違いを確認することができる。なお、照射野確認装置５２が生成するデータは、線量分布形状に限定されず、深さ方向（ビーム進行方向）の最深部での照射位置に関するデータであっても良い。この場合、ガンマ線検出データに基づいて求められた最深部の照射位置と照射計画システム４１が計算した照射位置を、表示装置のＣＴ画像上に表示する。これにより、オペレータ等は、事前に計画した線量位置と実際の照射による照射最深部の違いを確認することができる。
【００６９】
本実施例によれば、ガンマ線検出器の第一検出部６１と照射対象の間に吸収体６４を配置したため、１ＭｅＶ未満の低エネルギーガンマ線がガンマ線検出器２３に入射するのを防ぐことができる。また、照射野の確認に有効な１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線は、吸収体を通過してガンマ線検出器２３に入射する。このため、照射野の確認に有効な１ＭｅＶ以上の高エネルギーガンマ線をより多く検出でき、照射野の位置を精度良く求めることができる。また、ガンマ線のバックグラウンド（ノイズ）に対する有効な信号の割合を多くでき、さらに照射野の位置を精度良く測定することができるようになる。
【００７０】
本実施例では、吸収体６４がガンマ線検出器に接するように配置されているため、吸収体をガンマ線検出器に固定でき、設置するのが容易となる。本実施例によれば、吸収体６４の厚みを可変にできるため、各照射対象に適した吸収体を設置でき、有効な信号に対するノイズの割合を更に低くすることができる。これにより、より正確な照射野を測定することができる。
【００７１】
なお、本実施例はスポットスキャニング法により照射野を形成した場合について記載したが他の照射野形成方法についても同様に適用することができる。他の照射野形成方法については非特許文献２に記載がある。
【００７２】
また、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置としてシンクロトロンを用いた場合について説明したが、サイクロトロンでも同様に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【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治療室の構成を示す概念構成を表す図である。
【図３】図２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４】図２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深さ方向の線量分布を示す図である。
【図５】図２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横方向の線量分布を示す図である。
【図６】図１に示したデータベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【図７】図２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スポットの様子を示した概念図である。
【図８】照射する手順を示したブロック構成図である。
【図９】図２に示したガンマ線検出器の構成を示す横断図面である。
【図１０】図２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スポットの様子を示した概念図である。
【符号の説明】
【００７４】
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 制御システム
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１５ 偏向電磁石
１６ Ｕ字状偏向電磁石
１７ 治療室
１８ ガントリー
２１ 照射装置、
２２ａ 第１のＸ線撮像装置
２２ｂ 第２のＸ線撮像装置
２３ ガンマ線検出器
２４ カウチ
２５ 照射対象
２６，２８ ＦＰＤ
２７，３５ Ｘ線発生装置
３１，３２ 走査電磁石
３３ ビーム位置検出器
３４ 線量モニタ
３６ Ｘ線発生装置用レール
３７ 照射標的
４０ ＣＴ装置
４１ 照射計画システム
４２ データベース
４３ 機器制御システム
４４ 位置決めシステム
４５ 照射野確認システム
４６ 中央制御装置
４７ 加速器制御部
４８ 照射装置制御部
４９ 位置決め装置
５０ Ｘ線装置制御部
５１ カウチ制御部
５２ 照射野確認装置
５３ ガンマ線検出器制御部
６０ コンプトンカメラ
６１ 第一検出部
６２ 第二検出部
６３ 検出面
６４ 吸収体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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コンプトンカメラと、
前記照射対象と前記コンプトンカメラとの間に配置され、１ＭｅＶ未満のエネルギーの前記即発ガンマ線を吸収する吸収体と、
前記コンプトンカメラからのガンマ線検出信号に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射による照射野形状を求める照射野確認装置とを備え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】
前記吸収体は鉛又はタングステンを材質と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】
前記吸収体は板状である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４】
前記板状の吸収体は、少なくとも前記コンプトンカメラの検出面を覆うことができることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
前記吸収体は、前記コンプトンカメラの検出面に接して配置される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６】
前記吸収体はその厚みが可変であることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１】
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コンプトンカメラと、
前記照射対象と前記コンプトンカメラとの間に配置され、１ＭｅＶ未満のエネルギーの前記即発ガンマ線を吸収する吸収体と、
前記コンプトンカメラからのガンマ線検出信号に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射による照射野形状を求める照射野確認装置とを備え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】
前記吸収体は鉛又はタングステンを材質と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】
前記吸収体は板状である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４】
前記板状の吸収体は、少なくとも前記コンプトンカメラの検出面を覆うことができることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
前記吸収体は、前記コンプトンカメラの検出面に接して配置される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６】
前記吸収体はその厚みが可変であることを特徴とする請求項３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８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１２０５６（Ｐ２０１０−１２０５６Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７５１７５（Ｐ２００８−１７５１７５）
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【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２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【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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