(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の種類の粒子線を照射可能な粒子線照射システムにおいて、粒子線の照射位置を確認する手段を一種類の機器で提供する。【解決手段】複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、粒子線を照射対象に出射する照射装置と、照射装置から出射された粒子線に基づいて照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器２０３ａ，２０３ｂと、ガンマ線検出器からのガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置２０９と、信号処理装置２０９で即発ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号から前記粒子線の照射野を求め、前記対消滅ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号から前記粒子線の照射野を求める照射野確認装置を備える。【選択図】図２
2010032451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
前記ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置と、
前記信号処理装置で即発ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号が入力されると、前記ガンマ線検出信号から第１の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、前記対消滅ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号が入力されると、前記ガンマ線検出信号から第２の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求める照射野確認装置を備えることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
前記信号処理装置は、
前記粒子線発生装置で生成する粒子線の種類に応じて、前記ガンマ線検出信号が即発ガンマ線に起因するか又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項３】
前記信号処理装置は、
前記照射装置が炭素線を出射するときは、照射終了後に前記ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号を対消滅ガンマ線に起因すると判別し、
前記照射野確認装置は、
判別された前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記対消滅ガンマ線の発生位置を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒子線照射システム。
【請求項４】
前記信号処理装置は、
前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記ガンマ線検出器で検出されたガンマ線が所定のエネルギーであるかを判別するノイズ判定部と、
前記粒子線発生装置で生成する粒子線の種類に応じて、前記ガンマ線検出信号が即発ガンマ線に起因するか又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する粒子線判別部とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の粒子線照射システム。
【請求項５】
前記ガンマ線検出器は、第１検出器及び第２検出器を有するコンプトンカメラであり、  前記照射野確認装置は、
前記第１検出器及び前記第２検出器からのガンマ線検出信号に基づいて、前記第１の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、
前記第２検出器からのガンマ線検出信号に基づいて、前記第２の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項６】
複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
前記粒子線発生装置で生成する照射粒子に応じて、前記ガンマ線検出器から測定データを取得する条件を切り替えることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項７】
複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
粒子線の出射中と出射停止中でガンマ線検出器から測定データを取得する条件を切り替えることを特徴とする粒子線照射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数種の粒子線を照射可能な粒子線照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
がん患者に対し陽子線などの荷電粒子ビームを照射することで、がんを治療する方法が知られている。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照射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。
【０００３】
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、照射野に生成する陽電子放出核種からのガンマ線を、ポジトロン断層法（ＰＥＴ）により測定する方法が用いられている［非特許文献１，特許文献１］。特許文献１では、荷電粒子ビームを患者の患部に照射し、照射後に停止した位置から放射されるガンマ線を検出し、ＰＥＴ装置で画像処理することで照射位置をモニターしている。さらに、荷電粒子ビームの照射野を確認する別の手段として、照射野に生成される炭素，酸素，窒素の励起原子核から発生する即発ガンマ線をガンマカメラを用いて測定する方法も提唱されている［非特許文献２］。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【非特許文献１】J. Pawelke et al.,「In-Beam PET imagin for the Control of Heavy-Ion Tumour THerapy」IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 No.4 (1997)
【非特許文献２】Chul-Hee Min and Chan Hyeong Kim et al.,「Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy」Appl. Phys. let. 89 183517 (2006)
【非特許文献３】Kaita Parodi, et al.,「PET/CT imaging for treatment verification after proton therapy: A study with plastic phantom and metallic implants」Med. Phys. 34 419 (2007）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
荷電粒子ビームとして炭素線を用いた場合を考える。炭素線を照射対象（ガンの患部等）に照射することで照射野内に生成される陽電子放射核種の分布は、炭素線の照射位置と強い相関を持つ。ＰＥＴ装置は、対消滅ガンマ線の検出を通して陽電子放射核種の位置を高い空間分解能で特定できる。従って、炭素線を用いた粒子線治療システムでは、照射位置を確認する手段として、ＰＥＴ装置を用いた対消滅ガンマ線の測定が的確である。
【０００６】
一方、荷電粒子ビームとして陽子線を用いた場合は、陽子線の照射により生成される陽電子放射核種の分布と陽子線の照射位置との相関が弱い。このため、対消滅ガンマ線を測定して、陽子線の照射位置を確認することは難しい［非特許文献３］。しかしながら、陽子線の照射により生成されるガンマ線放射核種の分布は、陽子線の照射位置と強い相関を持つ。ガンマ線放射核種から発生する即発ガンマ線をＰＥＴで測定しても、ガンマ線放射核種の位置は特定できない。しかしながら、コンプトンカメラ（ＣＰＴ）は即発ガンマ線の飛来方向を特定できるため、ガンマ線放射核種の位置を特定できる。従って、陽子線の照射位置を確認する手段としては、ＣＰＴを用いた即発ガンマ線の測定が的確である。
【０００７】
このように、被照射体中における粒子線の照射位置を的確に確認するためには、粒子の種類に応じて異なる装置・手段が必要である。従って、異なる種類の粒子線を照射できる粒子線照射システムにおいては、粒子線の照射位置を確認するために複数の機器を用意する必要がある。こうした機器数の増加に伴って照射前後に行われる機器のセッティングや機器保全に必要な時間が増大し、操作者の負担になることが懸念されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の特徴は、複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置と、信号処理装置で即発ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号が入力されると、ガンマ線検出信号から第１の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、対消滅ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号が入力されると、ガンマ線検出信号から第２の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求める照射野確認装置を備えることにある。
【発明の効果】
【０００９】
複数の種類の粒子線を照射可能な粒子線照射システムにおいて、粒子線の照射位置を確認するための適切な手段を、照射する粒子によらず１種類の機器で提供する。粒子線の照射位置を確認するために必要な機器の増大を抑えることができ、操作者の負担を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の好適な一実施例である、粒子線照射システムの１種である陽子・炭素線照射システムを図１を用いて説明する。陽子・炭素線照射システムは、陽子・炭素線発生装置１０１，ビーム輸送装置１０２および回転式照射装置１０３を有する。
【００１２】
陽子・炭素線発生装置１０１は、イオン源（図示せず）、前段加速器（例えば線形加速器）１０１ａ及びシンクロトロン１０１ｂを有する。イオン源は陽子イオンと炭素イオンを発生し、照射毎に発生するイオンの種類を変更できる。イオン源で発生した陽子イオンもしくは炭素イオンは、まず前段加速器１０１ａで加速され、前者は陽子線、後者は炭素線となる。前段加速器１０１ａから出射された陽子線もしくは炭素線は、シンクロトロン１０１ｂで所定のエネルギーまで加速された後、出射用デフレクタ１０２ａからビーム輸送装置１０２のビーム経路１０２ｂに出射される。
【００１３】
ビーム経路１０２ｂを経て、陽子線もしくは炭素線は回転式照射装置１０３に導かれる。回転式照射装置１０３は、回転ガントリー（図示せず）及び照射野形成装置（以下、照射ノズル）１０４を有する。照射ノズル１０４は回転ガントリーに設置され、回転ガントリーの回転と共に回転する。また、ビーム経路１０２ｂの一部は、回転ガントリーに取り付けられている。
【００１４】
回転式照射装置１０３に導かれた陽子線もしくは炭素線は、照射ノズル１０４を通過し、患者カウチ１０６に横たわる患者１０５のがん患部に照射される。患者１０５が粒子線の照射を受ける部屋を、照射室と呼ぶ。
【００１５】
図２を用いて、照射室の詳細な構成を説明する。照射室には、１対のロボットアーム２０１ａ，２０１ｂが備わっている。ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの先端には、それぞれコンプトンカメラ（ＣＰＴ）２０３ａ，２０３ｂが設置されている。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂに接続された信号処理装置２０９が、情報処理装置（コンピュータ）２１０に接続される。ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂは自由度を持った可動部２０２ａ，２０２ｂを備えており、患者カウチ２０４に横たわる患者２０５に対して、自由な位置及び角度でＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを設置できる。ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの可動部２０２ａ，２０２ｂは、モーター（図示せず）で駆動する。モーターの駆動を制御するため、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂには駆動制御装置２０６が備わる。駆動制御装置２０６には、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを操作するためのユーザーインターフェース（図示せず）が備わっている。
【００１６】
本実施例では、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂに搭載されるガンマ線検出器としてコンプトンカメラ（ＣＰＴ）を用いた。ＣＰＴはコンプトン散乱を利用したガンマ線検出器で、ガンマ線のエネルギー，検出器におけるガンマ線の入射位置，検出器から見たガンマ線源の位置を特定できる。さらに、ＣＰＴは、高エネルギーのガンマ線を検出できる。
ガンマ線のエネルギー，検出器におけるガンマ線の入射位置，検出器から見たガンマ線源の位置を特定でき、かつ高エネルギーのガンマ線を検出可能ならば、ＣＰＴ以外の他のガンマ線検出器でも同様の効果が得られる。
【００１７】
第１のＣＰＴ２０３ａは、原子番号の小さい素材で構成された第１検出器２０７ａと、原子番号の大きい素材で構成された第２検出器２０８ａを有する。第２のＣＰＴ２０３ｂは、原子番号の小さい素材で構成された第１検出器２０７ｂと、原子番号の大きい素材で構成された第２検出器２０８ｂを有する。第１検出器２０７ａ，２０７ｂの役割は、入射したガンマ線にコンプトン散乱を発生させること、コンプトン散乱の発生位置を特定すること、発生した散乱電子の全運動エネルギーを測定することである。第２検出器２０８ａ，２０８ｂの役割は、第１検出器２０７ａ，２０７ｂで散乱を受けたガンマ線の全エネルギーを測定すること、第２検出器２０８ａ，２０８ｂにおける散乱ガンマ線の入射位置を測定することである。従って、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂでガンマ線を測定するためには、第１検出器２０７ａ，２０７ｂ、第２検出器の順番でガンマ線が入射しなくてはいけない。こうした理由から、第１検出器２０７ａ，２０７ｂがガンマ線源に対して向けられ、第２検出器２０８ａ，２０８ｂがガンマ線源から見て第１検出器２０７ａ，２０７ｂの後方に配置する。即ち、第１検出器２０７ａ，２０７ｂが粒子線治療を受ける患者２０５に対して向けられ、第２検出器２０８ａ，２０８ｂは粒子線治療を受ける患者２０５から見て第１検出器２０７ａ，２０７ｂの後方に配置する。
【００１８】
一般的なＣＰＴは、第１検出器でコンプトン散乱を起こす確率がさほど大きくない。従って、第１検出器でコンプトン散乱を起こさなかったガンマ線が、第２検出器に直接入射して検出される場合がある。その場合、第２検出器におけるガンマ線の入射位置とエネルギーは判別可能だが、入射角度までは判別できない。従って、ＣＰＴ単体でガンマ線源の方向を特定できない。ＣＰＴ単体でガンマ線源の方向を特定するためには、第１散乱体でコンプトン散乱を起こす事が条件である。
【００１９】
回転ガントリーを用いない固定式の照射装置でも、回転式照射装置を用いた本実施例と同等の効果が得られる。また、本実施例では図１に示した陽子・炭素線発生装置１０１に用いられる加速器としてシンクロトロンを用いたが、サイクロトロンやライナックなどといった荷電粒子線加速器でも、本実施例と同等の効果が得られる。
【００２０】
次に、患者体内における粒子線の照射位置を確認する原理について述べる。
【００２１】
高エネルギーの粒子線が物質に入射すると、粒子線が物質中の原子核を励起し、ガンマ線放射核種を多数生成する。また、粒子線と物質中の原子核との核破砕反応によっても、ガンマ線放射核種は生成される。生成された放射性核種は核種ごとに決まった半減期で崩壊し、数百ｋｅＶ〜数十ＭｅＶといった高いエネルギーのガンマ線を放射する。このガンマ線を即発ガンマ線という。放射性核種から放射された即発ガンマ線は、物質の外部へ透過する。
【００２２】
従って、物質外部からガンマ線検出器で即発ガンマ線を検出し、物質中におけるガンマ線の発生源を特定すると、物質内部における粒子線の照射位置を確認できる。即ち、ガンマ線検出器を用いて即発ガンマ線を検出し、患者体内における即発ガンマ線の発生源を特定すると、患者体内における粒子線の照射位置を確認できる。
【００２３】
即発ガンマ線のエネルギーは、数百ｋｅＶ〜数十ＭｅＶ程度である。従って、ガンマ線検出器はエネルギーが数百ｋｅＶ〜数十ＭｅＶのガンマ線を検出可能であることが求められる。またガンマ線検出器は即発ガンマ線のエネルギー，飛来方向を特定可能であることが求められる。
【００２４】
本実施例では、即発ガンマ線の検出器としてＣＰＴを用いる。前述のように、ＣＰＴで即発ガンマ線を測定するためには、ＣＰＴに入射した即発ガンマ線が第１検出器でコンプトン散乱を起こす必要がある。ＣＰＴの第１検出器における即発ガンマ線のコンプトン散乱確率はさほど大きくない。しかしながら、粒子線の照射中に患者体内で発生する即発ガンマ線の量は十分多いため、ＣＰＴは陽子線の照射位置を確認するために必要な即発ガンマ線の測定数を確保できる。
【００２５】
対消滅ガンマ線の測定によっても、患者体内における粒子線の照射位置を確認できる。
高エネルギーの粒子線が物質に入射すると、粒子線と物質中の原子核との核破砕反応によって、陽電子放射核種を多種生成する。生成された放射性核種は核種ごとに決まった半減期で崩壊し、連続的なエネルギーの陽電子を放射する。陽電子のエネルギーはそれほど大きくなく、通常数mm以下程度進んで停止し、物質中の電子と対消滅する。対消滅によって、５１１ｋｅＶのエネルギーを持った１対のガンマ線が互いに正反対の方向へ発生する。
【００２６】
互いに正反対の方向に発生した１対の対消滅ガンマ線をＰＥＴ装置で同時に測定すると、物質中における対消滅ガンマ線の発生位置を特定できる。即ち、ＰＥＴ装置を用いて被照射体内から発生する対消滅ガンマ線を同時に測定すると、被照射体内部における粒子線の照射位置を確認できる。
【００２７】
対消滅ガンマ線を検出するため、本実施例では照射室に備わった１対のＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを１台のＰＥＴカメラとして用いる。詳細は後述する。
【００２８】
しかしながら、停止寸前の陽子線による陽電子放射核種の生成確率がさほど大きくないため、陽電子放射核種の発生位置は陽子線の照射位置と強い相関を示さない。従って、照射する粒子線が陽子線の場合、対消滅ガンマ線の測定によって陽子線の照射位置を精度良く見積もることは難しい。
【００２９】
陽電子放射核種と異なり、ガンマ線放射核種の発生位置は陽子線の照射位置と強い相関がある。例えば、ガンマ崩壊性核種Ｏ１６等の発生位置は、陽子線の照射位置と強い相関を示す。これらの核種は、陽子線と物質原子核との電磁相互作用によって生じると考えられる。即発ガンマ線は、対消滅ガンマ線のように１対のガンマ線が互いに正反対の方向に発生する事象ではない。従って、ＰＥＴカメラで即発ガンマ線を測定し、ガンマ線放射核種の位置を特定することはできない。前述のように、ＣＰＴは高いエネルギーを持つ即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線源の位置を特定できる測定器である。従って、陽子線の照射位置を確認する手段としては、ＣＰＴを用いた即発ガンマ線の測定が有効である。
【００３０】
照射する粒子が炭素線の場合、照射した炭素線自身が物質中の原子核との核破砕反応によって陽電子放射核種Ｃ１１に転じることがある。従って、陽電子放射核種が発生する位置と炭素線が照射された位置には強い相関がある。また、対消滅ガンマ線の計測に関しては、検出効率，発生位置の特定精度共にＰＥＴカメラがＣＰＴと比較して優れている。従って、炭素線の照射位置を確認する手段としては、ＰＥＴカメラを用いた対消滅ガンマ線の測定が有効である。
【００３１】
本実施例では陽子線との照射を共用する粒子線として炭素線を用いたが、核破砕反応によって自身が陽電子放射核種になる、または停止直前において陽電子放射核種の生成確率が高い粒子線ならば、同様の効果が得られる。
【００３２】
続いて、本実施例の粒子線照射システムが、患者体内における粒子線の照射位置を確認する手順について説明する。
【００３３】
粒子線の照射前に行われる患者位置決めが完了すると、治療計画装置はｉ）照射に用いる粒子の種類，ii）計画線量分布，iii）ガントリー回転角度の３つの情報を、図２に示したロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６に伝える。情報ｉ）照射粒子の種類に関しては、さらにＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂに接続された信号処理装置２０９，コンピュータ２１０にも伝えられる。信号処理装置２０９は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂによって測定されたガンマ線のデータをＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂから引き出し、コンピュータ２１０に送信する機器である。また、コンピュータ２１０は信号処理装置２０９から受信したガンマ線の測定データを保存，解析する機器である。コンピュータ２１０による解析結果によって、操作者は粒子線の照射位置を確認する。
【００３４】
照射に陽子線を用いる場合について説明する。照射に陽子線を用いる場合（陽子・炭素線発生装置１０１で生成する粒子線が陽子線の場合）、本実施例の粒子線照射システムは患者体内で発生する即発ガンマ線を計測し、患者体内における陽子線の照射位置を確認する。
【００３５】
まず、治療計画装置が、情報ｉ）照射粒子の種類（ここでは、陽子線）を出力すると、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は、照射に陽子線が用いられることを確認する。照射に陽子線が用いられることを確認した駆動制御装置２０６は、照射位置の確認に適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を算出する。
【００３６】
陽子線の照射時において、特に陽子線の飛程終端付近を確認したい場合に適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を、ＣＰＴ２０３ａを例に図３で説明する。
【００３７】
陽子線３０１の計画線量分布３０２をビーム軸３０３上に射影したときに得られるビーム軸３０３方向に対して最も深い位置を位置３０４とする。適切なＣＰＴ２０３ａの設置位置とは、位置３０４とＣＰＴ２０３ａにおけるガンマ線検出面の中心位置３０６を結ぶ直線３０７が、ビーム軸３０３と垂直になる位置である。このとき、ＣＰＴ２０３ａのガンマ線検出面は、ビーム軸３０３と平行である。ＣＰＴ２０３ａにおけるガンマ線検出面とは、ＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａ表面においてガンマ線源、すなわち患者と対向する面である。また、駆動制御装置２０６は、患者に接触しない程度にできるだけＣＰＴ２０３ａを患者に近づけるとさらに良い。
【００３８】
こうした条件に従って、図２のロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は、まず治療計画装置から得たiii）ガントリー回転角の情報から図３のビーム軸３０３を算出する。さらに、駆動制御装置２０６は、ii）計画線量分布の情報から、位置３０４を算出する。算出したビーム軸３０３と位置３０４を用いて、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を算出する。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を算出するとき、１対のロボットアーム２０１ａ，２０１ｂが同じ位置にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを設置する事がないよう、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は異なる２つの位置を算出する。
【００３９】
的確なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの位置が算出されると、駆動制御装置２０６がロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを自動で駆動し、駆動制御装置２０６が計算した適切な位置にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを設置する。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了すると、駆動制御装置２０６はコンピュータ２１０にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了したことを送信する。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置完了を受信したコンピュータ２１０は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源をオンする。
【００４０】
図３を用いて説明したＣＰＴの適切な設置位置は、特に陽子線の飛程終端付近を確認したい場合に有効である。その他の照射位置を確認したいとき、図３を用いて説明した位置と異なる位置にＣＰＴを配置した方がよい場合がある。そういった場合、操作者は図２に示したロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６に備わったユーザーインターフェースを用いてＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを任意の位置に設置できる。
【００４１】
ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂには障害物センサー（図示せず）が取り付けられており、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂが移動する際、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂやロボットアーム２０１ａ，２０１ｂがもう片方のロボットアーム、他の機器、患者２０５に接触しないよう制御される。前述のように、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを任意の位置に設置する場合、操作者はユーザーインターフェースに指示信号を入力する。駆動制御装置２０６は、ユーザーインターフェースからの指示信号を入力すると、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを駆動し、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを任意の位置に設置する。
【００４２】
適切な可動機構を追加すれば、ＣＰＴを回転ガントリーや患者カウチに設置しても、ロボットアームを用いた本実施例と同様の効果が得られる。また、操作者が所望する位置にＣＰＴを設置可能ならば、特に可動機構の必要はない。従って、ＣＰＴの設置は操作者が直接手で行ってもよい。
【００４３】
２対以上のＣＰＴを用いても、１対のＣＰＴを用いた本実施例と同様の効果が得られる。複数のＣＰＴを設置することによって、検出できるガンマ線も増えるため、ガンマ線の発生位置をさらに正確に求めることができる。
【００４４】
ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了し、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの電源がオンされると、患者２０５への陽子線照射が可能になる。操作者が粒子線照射システムの操作卓から粒子線照射システムに患者への粒子線照射開始を指示すると、照射開始信号が図２に示したコンピュータ２１０に発信される。コンピュータ２１０が照射開始信号を受信すると、信号処理装置２０９にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂからの測定データ取得とコンピュータ２１０への測定データ送信を指示し、ガンマ線の測定を開始する。
【００４５】
患者２０５への陽子線照射が開始されると、患者２０５体内において陽子線の照射を受けた位置から、即発ガンマ線が発生する。
【００４６】
図４を用いて、ＣＰＴ２０３ａを例に、ＣＰＴによる即発ガンマ線の検出手順を説明する。
【００４７】
図４に示したガンマ線（ここでは、即発ガンマ線）４０１は、まずＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａに入射する。本実施例では、第１検出器２０７ａは、タイムプロジェクションチェンバー（以下、ＴＰＣ）４０３及びマイクロピクセルチェンバー（μＰＩＣ）４０６を備える。ＴＰＣ４０３には、放射線を検出するためのガスが封入されている。ＴＰＣ４０３内で即発ガンマ線４０１がコンプトン散乱を起こすと、コンプトン散乱した位置から散乱電子４０４が発生する。散乱電子４０４によってＴＰＣ４０３内のガスは電離され、散乱電子４０４の軌跡に沿って２次電子４０５が発生する。散乱電子４０４は運動エネルギーを失い、やがてＴＰＣ４０３内部で停止する。
【００４８】
ＴＰＣ４０３内部には一方向に電場がかけられており、電離によって発生した２次電子４０５は電場の向きと逆方向に移動する。２次電子４０５の移動速度が一定となるように、電場の強度は調整されている。２次電子４０５の移動先には、電荷の位置を２次元で読み出すことができる機器が設置されている。本実施例では、マイクロピクセルチェンバー（μＰＩＣ）４０６を用いた。２次電子４０５がμＰＩＣ４０６に到達すると、２次電子４０５のもつ電荷量に比例した強度の電気信号（ガンマ線検出信号）がＣＰＴ２０３ａの信号処理装置２０９に出力される。また、ＣＰＴ２０３ａは、μＰＩＣ４０６の各位置で検出した２次電子４０５の電荷を、一定の時間毎に区切って読み出している。従って、μＰＩＣ４０６に対して遠い位置で発生した２次電子４０５は、近い位置で発生した２次電子４０５と比較してより遅い時間にμＰＩＣ４０６で検出された電気信号として読み出される。このような工夫により、ＴＰＣ４０３は散乱電子４０４の軌跡を３次元で得る事ができる。
【００４９】
また、２次電子４０５の発生量は散乱電子４０４のエネルギー損失に比例する。従って、μＰＩＣ４０６から得られた電気信号をすべて積分すると、散乱電子４０４がＴＰＣ４０３内で落としたエネルギーを特定できる。即ち、散乱電子４０４の運動エネルギーを特定ができる。
【００５０】
シリコンなどを用いた薄い半導体検出器には、検出器における電子の入射位置と電子のエネルギー損失を検出できるものがある。このような半導体検出器を多数積層した構成も、散乱電子の軌跡と運動エネルギーを測定可能である。本実施例では、第１検出器２０７ａとしてＴＰＣ４０３を用いたが、半導体検出器を多数積層した構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
第１検出器２０７ａでコンプトン散乱を起こした即発ガンマ線４０１ｂは、散乱後、第２検出器２０８ａに入射する。本実施例では、第２検出器２０８ａとして無機シンチレータを用いたシンチレーションカウンタ４０７を考える。散乱ガンマ線４０１ｂのエネルギー分解能と検出効率を高めるため、無機シンチレータは発光量が大きく、阻止能の高い物質が望まれる。本実施例では、無機シンチレータとしてＧＳＯ結晶４０８を用いる。シンチレーションカウンタ４０７は、ＧＳＯ結晶４０８及びマルチアノード型の光電子増倍管４０９を備える。
【００５２】
阻止能が高く発光量が大きなシンチレータならば、ＧＳＯ結晶でなくても、同様の効果は得られる。例えば、ＬＳＯ結晶，ＢＧＯ結晶，ＰＷＯ結晶，ＮａＩ結晶，ＣｓＩ結晶，ＬａＢｒ結晶，ＹＳＯ結晶などである。阻止能が高く発光量が大きなものならば、有機シンチレータでも同様の効果が得られる。
【００５３】
ＧＳＯ結晶（シンチレータ）４０８は細かくセグメント化され、ＧＳＯ結晶の１セグメント４０８ａに対して、マルチアノード型の光電子増倍管４０９の光電素子１チャンネル（図示せず）がそれぞれ接続されている。散乱ガンマ線４０１ｂがシンチレーションカウンタ４０７に入射すると、ＧＳＯ結晶４０８内で電磁シャワー（図示せず）を起こし、やがてすべて光電吸収される。ＧＳＯ結晶４０８は、吸収した電磁シャワーのエネルギーに比例した数の光子（図示せず）を発生する。発生した光子は、光電子増倍管４０９で電気信号に変換される。電気信号の大きさは、変換した光子の数に比例する。すなわち、光電子増倍管４０９から得られる電気信号（ガンマ線検出信号）の大きさにより、各セグメント４０８ａ内における電磁シャワーのエネルギーを特定できる。電気信号は、信号処理装置２０９に出力される。
【００５４】
また、各セグメント４０８ａで得られた電磁シャワーのエネルギーから、電磁シャワーのエネルギー重心位置を算出できる。電磁シャワーのエネルギー重心位置を、散乱ガンマ線４０１ｂの入射位置とする。さらに、各セグメント４０８ａで得られた電磁シャワーのエネルギーを積分すると、散乱ガンマ線４０１ｂのエネルギーを特定できる。
【００５５】
ＧＳＯ結晶４０８をセグメント化しなかった場合でも、散乱ガンマ線４０１ｂの入射位置を特定できる。ＧＳＯ結晶に対して複数の光電子増倍管、もしくはマルチアノード型の光電子増倍管を接続すると、各光電子増倍管で得られる電気信号の強度差から、結晶内における光子発生位置の重心を算出できる。光子発生位置の重心は、電磁シャワーの重心位置と一致するはずである。従って、光子発生位置の重心が、散乱ガンマ線４０１ｂの入射位置である。
【００５６】
本実施例では、第２検出器２０８ａにマルチアノード型の光電子増倍管４０９を用いたが、その代わりに、光を電気信号に変換する半導体素子、例えばアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）やシリコンフォトマルチプライヤー（ＳｉＰＭ）を用いても、同様の効果が得られる。
【００５７】
阻止能の高い半導体（例えば、カドミウムテルル）を用いた、ガンマ線の入射位置を検出可能な半導体検出器でも、散乱ガンマ線のエネルギーと第２検出器における散乱ガンマ線の入射位置を特定できる。従って、本実施例のシンチレーションカウンタの代わりに、このような半導体検出器を用いた場合も、本実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
次に、データの取得から照射位置確認までの手順を、図５で説明する。
【００５９】
信号処理装置２０９は、判定装置５０６，切り替え制御装置５１１，ゲート信号生成回路５０８及びアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）５０７を備える。判定装置５０６は、ノイズ判定部５０９ａ，５０９ｂ，５０９ｃ，５０９ｄ、信号判定部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ及び粒子線判定部５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃを備える。ＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａがノイズ判定部５０９ａに接続され、第２検出器２０８ａがノイズ判定部５０９ｂに接続される。ＣＰＴ２０３ｂの第１検出器２０７ｂがノイズ判定部５０９ｃに接続され、第２検出器２０８ｂがノイズ判定部５０９ｄに接続される。判定装置５０６は、ＣＰＴの検出器の数に相当する数のノイズ判定部を有する。ノイズ判定部としては、ディスクリミネータ回路等が考えられる。ノイズ判定部５０９ａ，５０９ｂにつながる信号判定部５１０ａが、粒子線判定部５１２ａに接続される。ノイズ判定部５０９ｃ，５０９ｄにつながる信号判定部５１０ｂが、粒子線判定部５１２ｂに接続される。ノイズ判定部５０９ｂ，５０９ｄにつながる信号判定部５１０ｂが、粒子線判定部５１２ｂに接続される。粒子線判定部５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃは、ゲート信号生成回路５０８に接続される。切り替え制御装置５１１が粒子線判定部５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃに接続される。ＡＤＣ５０７は、第１検出器２０７ａ，２０７ｂ，第２検出器２０８ａ，２０８ｂ，ゲート信号生成回路５０８及びコンピュータ２１０に接続される。本実施例では、信号判定部５１０と、粒子線判定部５１２を別個に備えたが、１つの判定部で両者の機能を持つ構成としてもよい。
【００６０】
ＣＰＴ２０３ａが即発ガンマ線を検出すると、第１検出器２０７ａ及び第２検出器２０８ａがそれぞれガンマ線検出信号（アナログの電気信号、以下、アナログデータ信号）を信号処理装置２０９に出力する。同様に、ＣＰＴ２０３ｂが即発ガンマ線を検出すると、第１検出器２０７ｂ及び第２検出器２０８ｂがそれぞれガンマ線検出信号（アナログデータ信号）を信号処理装置２０９に出力する。信号処理装置２０９は、入力したアナログデータ信号をデジタル値（以下、デジタルデータ信号）に変換し、コンピュータ２１０に送信する。
【００６１】
ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂから読み出されたアナログデータ信号はまず２つに分割され、１つは判定装置５０６に、１つはＡＤＣ５０７に送信される。判定装置５０６は、後述するように、入力されたアナログデータ信号が有効なガンマ線に起因する信号であるかを判定する。有効な信号と判断した場合、判定装置５０６は、入力されたアナログデータ信号をデジタル信号（以下、トリガー信号）に変換し、ゲート信号生成回路５０８に出力する。トリガー信号を入力したゲート信号生成回路５０８は、ゲート信号をＡＤＣ５０７のゲート入力５０７ａに出力する。ＡＤＣ５０７は、ゲート信号を入力すると、ゲート信号が発信されている間に第１検出器２０７ａ，２０７ｂ及び第２検出器２０８ａ，２０８ｂからのアナログデータ信号の積分強度を求め、デジタルデータ信号に変換する。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ２１０に送信され、コンピュータ２１０のメモリ（図示せず）に保存される。ＡＤＣ５０７は、ゲート信号を受信せずに第１検出器２０７ａ，２０７ｂ及び第２検出器２０８ａ，２０８ｂからのアナログデータ信号を受信した場合、アナログ信号をデジタル信号に変換せず、コンピュータ２１０に送信しない。このように、ＡＤＣ５０７は、ゲート信号に基づいて、第１検出器２０７ａ，２０７ｂ及び第２検出器２０８ａ，２０８ｂからのガンマ線検出信号をコンピュータ２１０に出力する。
【００６２】
ゲート信号が生成される条件を、トリガー条件という。判定装置５０６は、トリガー条件を満たすとデジタル信号（トリガー信号）を出力する。トリガー信号は、ゲート信号生成回路５０８に入力する。トリガー信号を入力したゲート信号生成回路５０８は、ゲート信号をＡＤＣ５０７に発信する。
【００６３】
トリガー条件は、切り替え制御装置５１１から出力されるデジタル信号（以下、切り替え信号）によって変更される。切り替え制御装置５１１は、治療計画装置からｉ）照射粒子の情報を受け取り、切り替え制御装置５１１に備わったメモリ（図示せず）に保存する。照射粒子が陽子線であった場合、切り替え制御装置５１１は切り替え信号を出力する。
【００６４】
ノイズ判定部５０９は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂからのアナログデータ信号が、操作者が設定した閾値以上の強度（又は、予め設定された範囲の値の強度）を有するかを判定し、閾値以上（又は、設定範囲内）のアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する機能を備えている。閾値未満（又は、設定範囲外）のアナログデータ信号を入力した場合、ノイズ判定部５０９はその信号を出力しない。つまり、ノイズ判定部５０９は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂで検出されたガンマ線が所定のエネルギーであるかを判別し、閾値未満（設定範囲外）のエネルギーのガンマ線に起因するアナログデータ信号をノイズとして処理する。閾値以上のガンマ線検出信号を入力したノイズ判定部５０９は、生成したデジタル信号を信号判定部５１０に出力する。ノイズ判定部５０９の閾値は、操作者が変更可能である。信号判定部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ及び粒子線判定部５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃは、複数のデジタル信号が同時に入力したとき、デジタル信号を新たに出力する機能を備えている。ただし、ベト入力にデジタル信号が入力されている場合、信号判定部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ及び粒子線判定部５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃは新たなデジタル信号を出力しない。
【００６５】
信号判定部５１０ａは、ＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａ及び第２検出器２０８ａから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。つまり、信号判定部５１０ａは、ＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａ及び第２検出器２０８ａが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一つのガンマ線に起因する有効な信号と判定して、デジタル信号を出力する機能を有する。本明細書での「同時」とは、予め定められた所定の期間のことを示し、同時であると判断できる程度の期間をいう。信号判定部５１０ａから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ａに入力する。また、粒子線判定部５１２ａには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部５１２ａに切り替え信号が入力された場合、信号判定部５１０ａからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、照射粒子が陽子線であった場合、信号判定部５１０ａからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【００６６】
信号判定部５１０ｂは、ＣＰＴ２０３ｂの第１検出器２０７ｂ及び第２検出器２０８ｂから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。つまり、信号判定部５１０ｂは、ＣＰＴ２０３ｂの第１検出器２０７ｂ及び第２検出器２０８ｂが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一つのガンマ線に起因する有効な信号と判定して、デジタル信号を出力する機能を有する。信号判定部５１０ｂから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ｂに入力する。また、粒子線判定部５１２ｂには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部５１２ｂに切り替え信号が入力された場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、照射粒子が陽子線であった場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【００６７】
信号判定部５１０ｃは、ＣＰＴ２０３ａの第２検出器２０８ａ及びＣＰＴ２０３ｂの第２検出器２０８ｂから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部５１０ｃから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ｃに入力する。また、粒子線判定部５１２ｃには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部５１２ｃに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部５１０ｃからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、照射粒子が炭素線であった場合、信号判定部５１０ｃからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【００６８】
即ち、トリガー条件は照射される粒子が陽子線か否かで決定する。
【００６９】
従って、陽子線照射の場合におけるトリガー条件は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂにおける第１検出器２０７ａ，２０７ｂ（正確には、μＰＩＣ）と、第２検出器２０８ａ，２０８ｂ（正確には、光電子増倍管）から同時にアナログデータ信号が信号処理装置２０９に出力されることである。即ち、即発ガンマ線がＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの第１検出器２０７ａ，２０７ｂでコンプトン散乱を起こし、散乱したガンマ線がＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの第２検出器２０８ａ，２０８ｂで検出されることである。
【００７０】
トリガー条件を満たすと、判定装置５０６からトリガー信号が出力される。トリガー信号はゲート信号生成回路５０８に入力し、ゲート信号生成回路５０８はゲート信号を出力する。ＡＤＣ５０７のゲート入力５０７ａにゲート信号が入力すると、ゲート信号が発信されている間にＡＤＣ５０７に入力したアナログデータ信号（即ち、各時間においてμＰＩＣの各位置で得られた電気信号強度，光電子増倍管の各チャンネルで得られた電気信号強度）の積分強度が、デジタルデータ信号に変換される。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ２１０に送信され、コンピュータ２１０のメモリ（図示せず）に測定データとして記録される。つまり、信号処理装置２０９は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂから出力されるガンマ線検出信号（アナログデータ信号）が即発ガンマ線に起因すると判断すると、そのガンマ線検出信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ２１０に出力している。
【００７１】
ゲート信号生成回路５０８がゲート信号を発信している間、もしくは測定データがコンピュータ２１０のメモリに記録されている間に次のトリガー信号がゲート信号生成回路５０８に入力すると、測定データが正常に記録されない場合がある。そこで、ゲート信号の発信中と測定データの記録中には、信号判定部５１０ａ又は粒子線判定部５１２ａ，信号判定部５１０ｂ又は粒子線判定部５１２ｂ，信号判定部５１０ｃ又は粒子線判定部５１２ｃにベト信号が発信される。ベト信号が信号判定部５１０ａ又は粒子線判定部５１２ａ，信号判定部５１０ｂ又は粒子線判定部５１２ｂ，信号判定部５１０ｃ又は粒子線判定部５１２ｃに発信されると、トリガー条件を満たしていても、トリガー信号は発信されない。
ゲート信号の発信と測定データの記録が完了すると、信号判定部に発信されているベト信号は解除される。
【００７２】
コンピュータ２１０は、メモリに記録された測定データを解析し、即発ガンマ線の発生源を特定する。コンピュータ２１０は、まずメモリに記録された測定データを用いて、ａ）コンプトン散乱の発生位置，ｂ）散乱電子の軌跡，ｃ）散乱電子のエネルギー，ｄ）シンチレーションカウンタにおける散乱ガンマ線の入射位置，ｅ）散乱ガンマ線のエネルギーを計算する。次にコンピュータはａ）〜ｅ）の情報を用いて、入射ガンマ線のエネルギーと入射ガンマ線の飛来方向を計算する。
【００７３】
飛来方向が計算されると、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂから見た即発ガンマ線の発生源位置を特定できる。即発ガンマ線の発生源位置は１次元，２次元もしくは３次元の画像として、コンピュータ２１０に備わったディスプレイ（表示装置）上に表示される。操作者はコンピュータ２１０に備わったディスプレイ上に表示された即発ガンマ線の発生位置画像を見て、陽子線の照射された位置を確認する。このように、コンピュータ２１０は、信号処理装置２０９で即発ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号を受け取ると、ガンマ線検出信号に基づいて、陽子線の照射によって生成されたガンマ線の発生位置（発生源）を求める照射野確認装置としての機能を有する。
【００７４】
照射が完了すると、照射終了信号が粒子線照射システムの各機器に発信される。コンピュータ２１０が照射終了信号を受け取ると、メモリに記憶された測定データをファイルに書き出し、コンピュータ２１０に備わった記録媒体上に保存する。記録媒体上に保存した測定データのファイルを読み込むことで、コンピュータ２１０は即発ガンマ線の発生位置（患者に対する陽子ビームの照射位置に相当）を求め、その結果に基づいて、発生位置分布を再度画像化してディスプレイに表示する。
【００７５】
さらに、コンピュータ２１０はＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源をオフする。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源がオフされたことを図２に示すロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６が確認すると、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６はＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂとロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを照射室の所定の場所に収納する。
【００７６】
このように、即発ガンマ線の測定は主に粒子線の照射中に行われる。照射中と比較して照射終了後における即発ガンマ線の発生量は減少するが、照射終了後に即発ガンマ線を測定することも可能である。その場合、コンピュータ２１０に照射終了信号が受信された後、操作者の所望する時間が経過するまで即発ガンマ線の測定が続けられる。操作者が所望する時間が経過すると、測定データが図５に示すコンピュータ２１０の記録媒体に保存され、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの電源がオフされる。
【００７７】
次に、照射に用いる粒子が炭素線の場合（陽子・炭素線発生装置１０１で生成する粒子線が炭素線の場合）について説明する。本実施例の粒子線照射システムは、照射に用いる粒子が炭素線であった場合、患者体内から発生する対消滅ガンマ線を同時計測することで患者体内における炭素線の照射位置を確認する。
【００７８】
まず情報ｉ）照射粒子の種類（ここでは、炭素線）により、図２に示すロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は、照射に炭素線が用いられることを確認する。照射に炭素線が用いられることを確認したロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は、患者体内から発生する対消滅ガンマ線の計測に適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を算出する。
【００７９】
炭素線の照射時において、特に炭素線の飛程終端付近を確認したい場合に適切なＣＰＴ２０３ａ（図６では、６０５ａ），２０３ｂ（図６では、６０５ｂ）の設置位置を、図６で説明する。
【００８０】
炭素線６０１の計画線量分布６０２をビーム軸６０３上に射影したときに得られるビーム軸６０３方向に対して最も深い位置を位置６０４とする。適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置とは、位置６０４とＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂにおけるガンマ線検出面の中心位置６０６ａ，６０６ｂを結ぶ線分６０７ａ，６０７ｂが、ビーム軸６０３と垂直になる位置である。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂのガンマ線検出面は、ビーム軸６０３と平行である。さらに、１対のＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂは、線分６０７ａと線分６０７ｂが同一直線状に存在するように配置される。即ち、１対のＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂは、互いに対向する位置に設置される。また、患者と接触しない程度に互いのＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂをできるだけ近づけることが望まれる。
【００８１】
こうした条件に従って、図２のロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は、まず治療計画装置から得たiii）ガントリー回転角の情報から図６のビーム軸６０３を算出する。さらに、ii）計画線量分布から、位置６０４を算出する。算出したビーム軸６０３と位置６０４を用いて、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６は適切なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置位置を算出する。
【００８２】
図６を用いて説明したＣＰＴの適切な設置位置は、特に炭素線の飛程終端付近を確認したい場合に有効である。その他の照射位置を確認したいとき、対向する１対のＣＰＴの中心位置を図６で説明した位置と異なる位置にした方がよい場合がある。そういった場合、操作者は図２に示したロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６に備わったユーザーインターフェースを用いてＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを任意の位置に設置できる。
【００８３】
的確なＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの位置が算出されると、駆動制御装置２０６がロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを自動で駆動し、駆動制御装置２０６が計算した適切な位置にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂを設置する。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了すると、駆動制御装置２０６はコンピュータ２１０にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了したことを送信する。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置完了を受信したコンピュータ２１０は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源をオンする。
【００８４】
ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの設置が完了し、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂの電源がオンされると、患者２０５への炭素線照射が可能になる。操作者が粒子線照射システムの操作卓から粒子線照射システムに患者への粒子線照射開始を指示すると、照射開始信号が図２に示したコンピュータ２１０に発信される。コンピュータ２１０が照射開始信号を受信すると、信号処理装置２０９にＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂからの測定データ取得とコンピュータ２１０への測定データ送信を指示し、ガンマ線の測定を開始する。
【００８５】
患者２０５への炭素線照射が開始されると、患者２０５体内において炭素線の照射を受けた位置から、対消滅ガンマ線が発生する。
【００８６】
次に、ＣＰＴによる対消滅ガンマ線の検出手順を説明する。
【００８７】
対消滅ガンマ線が図４に示すＣＰＴ２０３ａの第１検出器であるＴＰＣ４０３でコンプトン散乱を起こさず、ＣＰＴの第２検出器であるシンチレーションカウンタ４０７に直接入射すると、ＧＳＯ結晶４０８内で電磁シャワーを起こし、やがてすべて光電吸収される。ＧＳＯ結晶４０８は、吸収した電磁シャワーのエネルギーに比例した数の光子（図示せず）を発生する。発生した光子は、光電子増倍管４０９で電気信号に変換される。電気信号の大きさは、変換した光子の数に比例する。すなわち、光電子増倍管４０９から得られる電気信号の大きさにより、各セグメント４０８ａ内における電磁シャワーのエネルギーを特定できる。電気信号は、信号処理装置２０９に出力される。また、各セグメント４０８ａで得られた電磁シャワーのエネルギーから、電磁シャワーのエネルギー重心位置を算出できる。電磁シャワーのエネルギー重心位置を、対消滅ガンマ線の入射位置とする。さらに、各セグメント４０８ａで得られた電磁シャワーのエネルギーを積分すると、対消滅ガンマ線４０１ｂのエネルギーを特定できる。このように、第１検出器でコンプトン散乱した即発ガンマ線を測定するときと同様の原理で、対消滅ガンマ線のエネルギーと入射位置が特定される。
【００８８】
前述したように、１つの第２検出器だけではガンマ線の発生源位置を特定できない。しかしながら、本実施例では、図６に示した位置６０４を中心に、１対のＣＰＴが互いに対向して配置している。従って対消滅ガンマ線が第１検出器でコンプトン散乱を起こさず通過し、第２検出器で検出されると、もう片方のＣＰＴにおける第２検出器にも対消滅ガンマ線が入射し、対消滅ガンマ線のエネルギーと入射位置が特定される。
【００８９】
２つの対向する第２検出器において同時に検出された対消滅ガンマ線の入射位置を直線で結ぶと、対消滅ガンマ線の発生位置は直線状のどこかであると特定できる。さらに、複数の事象で得られた直線を重ねることで、対消滅ガンマ線の発生源位置を特定できる。このように、１対の第２検出器を用いると、対消滅ガンマ線の発生源位置を測定できる。これは、ＰＥＴ装置による対消滅ガンマ線の測定原理と同じである。
【００９０】
対消滅ガンマ線のエネルギーは、５１１ｋｅＶである。しかしながら、第１検出器で対消滅ガンマ線がコンプトン散乱を起こすと、第２検出器において測定される対消滅ガンマ線のエネルギーは５１１ｋｅＶ未満になる。このような対消滅ガンマ線のデータは、図２に示したコンピュータ２１０による解析の段階でノイズデータとして破棄される。従って、対消滅ガンマ線源である患者に対して、第１検出器が第２検出器の手前に配置されていることは、対消滅ガンマ線測定の妨げになることが懸念される。しかしながら、第２検出器の検出器効率に対して、第１検出器におけるコンプトン散乱の確率は十分小さい。従って、対消滅ガンマ線源である患者に対して第１検出器が第２検出器の手前に配置されていることは、第２検出器による対消滅ガンマ線測定の妨げにならない。
【００９１】
次に、データの取得から照射位置確認までの手順を、図５で説明する。
【００９２】
前述したように、切り替え制御装置５１１は、治療計画装置からｉ）照射粒子の情報を受け取り、切り替え制御装置５１１に備わったメモリに保存する。照射粒子が炭素線であった場合、切り替え制御装置５１１は、切り替え信号の出力を停止する。
【００９３】
判定装置５０６に入力したＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂのアナログデータ信号は、ノイズ判定部５０９ａ，５０９ｂ，５０９ｃ，５０９ｄでデジタル信号化する。ノイズ判定部５０９ａ，５０９ｂ，５０９ｃ，５０９ｄは、操作者が設定した閾値以上の強度（又は、予め設定された範囲の値の強度）をもったアナログ信号が入力されると、デジタル信号を出力する機能を備えている。ノイズ判定部５０９ａ，５０９ｂ，５０９ｃ，５０９ｄから出力したデジタル回路は、信号判定部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃに入力する。
【００９４】
信号判定部５１０ｃは、ＣＰＴ２０３ａの第２検出器２０８ａ及びＣＰＴ２０３ｂの第２検出器２０８ｂから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部５１０ｃから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ｃに入力する。また、粒子線判定部５１２ｃには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部５１２ｃに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部５１０ｃからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、照射粒子が炭素線であった場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【００９５】
従って、炭素線照射の場合におけるトリガー条件は、ＣＰＴ２０３ａの第２検出器２０８ａ（正確には、光電子増倍管）とＣＰＴ２０３ｂの第２検出器２０８ｂから、同時にアナログデータ信号が信号処理装置２０９に出力されることである。即ち、第２検出器２０８ａ，２０８ｂが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一対の対消滅ガンマ線に起因する有効な信号と判定してデジタル信号を出力する。
【００９６】
トリガー条件を満たすと、判定装置５０６からトリガー信号が出力される。トリガー信号がゲート信号生成回路５０８に入力すると、ゲート信号生成回路５０８からゲート信号が出力される。ＡＤＣ５０７のゲート入力５０７ａにゲート信号が入力すると、ゲート信号が発信されている間にＡＤＣ５０７に入力したアナログデータ信号（即ち、各時間においてμＰＩＣの各位置で得られた電気信号強度，光電子増倍管の各チャンネルで得られた電気信号強度）の積分強度が、デジタルデータ信号に変換される。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ２１０に送信され、コンピュータ２１０のメモリ（図示せず）に測定データとして記録される。このように、信号処理装置２０９は、ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂから出力されるガンマ線検出信号（アナログデータ信号）が対消滅ガンマ線に起因すると判断すると、そのガンマ線検出信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ３１０に出力している。
【００９７】
コンピュータ２１０は、メモリに記録された測定データを解析する。照射粒子が炭素線であることを治療計画装置から受信しているため、コンピュータ２１０は陽子線照射のときとは異なるアルゴリズムを用いて測定データの解析を行い、対消滅ガンマ線の発生源を特定する。対消滅ガンマ線の発生源位置は１次元，２次元もしくは３次元の画像として、コンピュータ２１０に備わったディスプレイ上に表示される。操作者はコンピュータ２１０に備わったディスプレイ上に表示された対消滅ガンマ線の発生位置画像を見て、炭素線の照射された位置を確認する。このように、コンピュータ３１０は、信号処理装置２０９で対消滅ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号を受け取ると、ガンマ線検出信号に基づいて、炭素線の照射によって生成されたガンマ線の発生位置（発生源）を求める照射野確認装置としての機能を有する。
【００９８】
照射中は即発ガンマ線の計数率が対消滅ガンマ線の計数率に対して高く、ＣＰＴの第２検出器による対消滅ガンマ線の測定が阻害される。従って、対消滅ガンマ線の測定は即発ガンマ線の少ない照射終了後をメインに行う。陽電子放射核種の寿命はガンマ線放射核種の寿命と比較して長いため、対消滅ガンマ線の測定は照射終了後でも十分可能である。
【００９９】
図５に示すコンピュータ２１０に照射終了信号が受信されると、操作者の所望する時間が経過するまで対消滅ガンマ線の測定が続けられる。操作者が所望する時間が経過すると、メモリに記憶された測定データをファイルに書き出し、コンピュータ２１０に備わった記録媒体上に保存する。記録媒体上に保存した測定データのファイルを読み込むことで、コンピュータ２１０は対消滅ガンマ線の発生位置（患者に対する炭素線の照射位置に相当）を求め、その結果に基づいて、発生位置分布を再度画像化してディスプレイに表示できる。
【０１００】
さらに、コンピュータ２１０はＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源をオフする。ＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂと信号処理装置２０９の電源がオフされたことを図２に示すロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６が確認すると、ロボットアーム２０１ａ，２０１ｂの駆動制御装置２０６はＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂとロボットアーム２０１ａ，２０１ｂを照射室の所定の場所に収納する。
【実施例２】
【０１０１】
以下、本発明の他の実施例を、粒子線照射システムの１種である陽子線・炭素線照射システムを例に説明する。
【０１０２】
本実施例の陽子・炭素線照射システムは、実施例１の陽子線・炭素線照射システムと同様の構成を有するが、信号処理装置２０９の機能が実施例１と異なる。実施例１の信号処理装置２０９は、図５に示すように、照射される粒子の種類（炭素線又は陽子線等）によってトリガー条件を変更していた。実施例１で述べたように、陽子線の照射時に測定される即発ガンマ線は主に照射中（即ち、粒子線の出射中）、炭素線の照射時に測定される対消滅ガンマ線は照射後（即ち、粒子線の出射停止中）に測定される。従って、本実施例の信号処理装置２０９は、トリガー条件の変更を粒子線の出射中か否かで変更する。以下、実施例１と異なる機能について詳細に説明する。
【０１０３】
本実施例の切り替え制御装置５１１は、粒子線照射システムの制御装置（図示せず）から粒子線の出射オン・オフ信号を受け取り、切り替え制御装置５１１に備わったメモリに保存する。粒子線照射システムが粒子線を出射中であった場合、切り替え制御装置５１１は切り替え信号を出力する。シンクロトロンの場合、出射オン・オフ信号とは、シンクロトロンに設置されたビーム出射用の高周波印加装置に対する出射開始信号（出射オン信号），出射停止信号（出射オフ信号）が考えられる。
【０１０４】
信号判定部５１０ａは、ＣＰＴ２０３ａの第１検出器２０７ａと第２検出器２０８ａから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部５１０ａから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ａに入力する。また、粒子線判定部５１２ａには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部５１２ａに切り替え信号が入力された場合、信号判定部５１０ａからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、粒子線が出射中であった場合、信号判定部５１０ａからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【０１０５】
信号判定部５１０ｂは、ＣＰＴ２０３ｂの第１検出器２０７ｂと第２検出器２０８ｂから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部５１０ｂから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ｂに入力する。また、粒子線判定部５１２ｂには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部５１２ｂに切り替え信号が入力された場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、粒子線が出射中であった場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【０１０６】
信号判定部５１０ｃは、ＣＰＴ２０３ａの第２検出器２０８ａとＣＰＴ２０３ｂの第２検出器２０８ｂから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部５１０ｃから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部５１２ｃに入力する。また、粒子線判定部５１２ｃには切り替え制御装置５１１からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部５１２ｃに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部５１０ｃからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。即ち、粒子線が出射停止中であった場合、信号判定部５１０ｂからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置５０６から出力される。
【０１０７】
即ち、トリガー条件は粒子線が出射中か否かで決定する。
【０１０８】
コンピュータ２１０は、出射中の測定データと出射停止中の測定データを、別々のデータとしてメモリに記録する。陽子線を照射した場合、コンピュータ２１０は粒子線出射中の測定データを解析して即発ガンマ線の発生位置分布を特定し、陽子線の照射位置を確認する。炭素線を照射した場合、コンピュータ２１０は粒子線出射停止中のデータを解析して対消滅ガンマ線の発生位置分布を特定し、炭素線の照射位置を確認する。ここで、炭素線を照射した場合の「粒子線出射停止中の測定データ」とは、照射終了信号を受信した後の照射終了後の一定期間の測定データであってもよい。
【０１０９】
このように、粒子線の出射中と出射停止中で判定装置５０６のトリガー条件を切り替えると、照射粒子に適した照射位置の確認手段を、１つの機器（即ち、１対のＣＰＴ２０３ａ，２０３ｂ）で実現できる。
【０１１０】
本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の好適な一実施例である陽子・炭素線照射システムの構成図である。
【図２】図１に示す患者が粒子線の照射を受ける、照射室の構成図である。
【図３】図２に示すコンプトンカメラの、陽子線照射時における設置位置を説明する図である。
【図４】図２に示すコンプトンカメラの構成図である。
【図５】図２に示すコンプトンカメラから、測定データを読み出す回路の構成図である。
【図６】図２に示すコンプトンカメラの、炭素線照射時における設置位置を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０１  陽子・炭素線発生装置
１０１ａ  前段加速器
１０１ｂ  シンクロトロン
１０２  ビーム輸送装置
１０２ａ  出射用デフレクタ
１０２ｂ  ビーム径路
１０３  回転式照射装置
１０４  照射野形成装置
１０５，２０５  患者
１０６，２０４  患者カウチ
２０１ａ，２０１ｂ  ロボットアーム
２０２ａ，２０２ｂ  可動部
２０３ａ，２０３ｂ  コンプトンカメラ
２０６  駆動制御装置
２０７ａ，２０７ｂ  第１検出器
２０８ａ，２０８ｂ  第２検出器
２０９  信号処理装置
２１０  コンピュータ
３０１  陽子線
３０２  陽子線の計画線量分布
３０３，６０３  ビーム軸
３０６，６０６ａ，６０６ｂ  コンプトンカメラにおけるガンマ線検出面の中心位置
３０７  直線
４０１  ガンマ線
４０３  タイムプロジェクションチェンバー
４０４  散乱電子
４０５  ２次電子
４０６  マイクロピクセルチェンバー
４０７  シンチレーションカウンタ
４０８  ＧＳＯ結晶
４０９  光電子増倍管
５０６  判定装置
５０７  アナログデジタルコンバータ
５０７ａ  ゲート入力
５０８  ゲート信号生成回路
５０９ａ，５０９ｂ，５０９ｃ，５０９ｄ  ノイズ判定部
５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ  信号判定部
５１１  切り替え制御装置
５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃ  粒子線判定部
６０１  炭素線
６０２  炭素線の計画線量分布
６０７ａ，６０７ｂ  線分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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