(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器によって加速された高エネルギー荷電粒子ビームを人体に照射して、粒子線治療を行う粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、
人体に照射された高エネルギー粒子ビームパルスのブラッグピーク位置に対応するように配置され、前記高エネルギー粒子ビームパルスに起因して生成された各粒子、各放射線のうち、前記ブラッグピーク位置に対応する位置で停止したミュオンの崩壊で放出される遅延陽電子を選択的に通過させる遮蔽体と、
指定された方向からの陽電子を検出する複数の陽電子検出板を持ち、前記ブラッグピーク位置に対応するように配置されて、前記各陽電子検出板毎に、前記遮蔽体を通過した遅延陽電子を検出し、陽電子発生位置と遅延同時信号の時間との情報を提供する陽電子検出器と、
前記高エネルギー粒子ビームパルスの照射が完了してから、所定時間だけ遅れたタイミングで、所定幅の遅延信号を生成し、この遅延信号を生成している間、前記陽電子検出器を動作させて、前記遅延陽電子を検出させる処理、前記陽電子検出器を所定回数動作させて得られた検出結果を解析し、陽電子発生場所毎に区分されたミュエスアール信号を生成する処理を行う制御／解析装置と、
を備えたことを特徴とする粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、
前記加速器と前記人体との間に配置され、前記加速器から出射される前記高エネルギー粒子ビームが持つエネルギーの一部を吸収する前置エネルギー吸収体、
を備えたことを特徴とする粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、
前記加速器から供給される前記高エネルギー粒子ビームの出射位置、又は出射方向を調整して、前記人体に照射させるビーム左右スキャナ、
を備えたことを特徴とする粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線医学などで使用される陽子線などの荷電粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムに関し、特に、ブラッグピークにおける放射線効果を直接観測し得るようにした粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、がん治療方法の１つとして、陽子や重イオンなどの高エネルギー荷電粒子線を利用した放射線医療が実用化されている。
【０００３】
また、ＰＥＴ方式のモニター装置やガンマ線方式のモニター装置などを使用し、粒子線治療効果をその場（In-situ）で的確にモニターする方法も提案されている。
【０００４】
例えば、In-situ PET方式のモニター装置では、粒子線の核反応で生ずる陽電子発生原子核を利用してＰＥＴの観測を行い陽子が通過する位置の元素分析を行う。
【０００５】
また、In-situ Gamma方式のモニター装置では、陽子線の核反応から発生する特性ガンマ線を捕らえ元素分析を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２６１６３４号公報
【特許文献２】特開２００８−１７３２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来提案されている各モニター装置では、次に述べるような問題があった。
【０００８】
まず、ＰＥＴ法では、ビームを止め、原子核崩壊を待って観測しなければならないことから、観測結果が得られるまでに時間がかかりすぎるという問題があった。また、核反応が、ＭｅＶ（百万電子ボルト）レベル以上で起こるために、陽子などが静止寸前に起こるブラッグピークとは位置が１０ｃｍ以上ずれてしまうという問題があった。
【０００９】
また、Ｇａｍｍａ法は、短寿命核を対象にできるので、観測時間はＰＥＴ法より早い。しかしながら、観測される原子核の位置は、ＰＥＴ法と同じく、ブラッグピーク位置から大きくずれてしまうという問題があった。
【００１０】
さらに、これら２つの手法は、元素分析が主目的で、放射線効果の生物物理化学現象の観測を行うことができないという問題があった。
【００１１】
このため、荷電粒子線の放射線効果が最大となるブラッグピーク位置において、何らかの「非破壊的なその場観測」を行い、粒子線治療効果を的確にモニターすることができ、医療作業を向上させることができる技術の開発が強く望まれていた。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑み、請求項１では、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムを提供することを目的としている。
【００１３】
また、請求項２では、ブラッグピークの深さを自在に制御し、如何なる深さの粒子線治療に対しても、適用自在にしながら、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムを提供することを目的としている。
【００１４】
また、請求項３では、ブラッグピークの左右位置を制御自在にし、治療対象部位が左右に広がっているときの粒子線治療に対しても、適用自在にしながら、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために本発明は、請求項１では、加速器によって加速された高エネルギー荷電粒子ビームを人体に照射して、粒子線治療を行う粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、人体に照射された高エネルギー荷電粒子ビームパルスのブラッグピーク位置に対応するように配置され、前記高エネルギー粒子ビームパルスに起因して生成された各粒子、各放射線のうち、前記ブラッグピーク位置に対応する位置で停止したミュオンの崩壊で放出される遅延陽電子を選択的に通過させる遮蔽体と、指定された方向からの陽電子を検出する複数の陽電子カウンターを持ち、前記ブラッグピーク位置に対応するように配置されて、前記各陽電子カウンター毎に、前記遮蔽体を通過した遅延陽電子を検出する陽電子検出器と、前記高エネルギー粒子ビームパルスの照射が完了してから、所定時間だけ遅れたタイミングで、所定幅の遅延信号を生成し、この遅延信号を生成している間、前記陽電子検出器を動作させて、前記遅延陽電子を検出させる処理、前記陽電子検出器を所定回数動作させて得られた検出結果を解析し、ミュエスアール信号を生成する処理を行う制御／解析装置とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項２では、請求項１に記載の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、前記加速器と前記人体との間に配置され、前記加速器から出射される前記高エネルギー粒子ビームが持つエネルギーの一部を吸収する前置エネルギー吸収体を備えたことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項３では、請求項１又は２に記載の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムにおいて、前記加速器から供給される前記高エネルギー粒子ビームの出射位置、又は出射方向を調整して、前記人体に照射させるビーム左右スキャナを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による、請求項１の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムでは、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる。
【００１９】
また、請求項２の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムでは、ブラッグピークの深さを自在に制御し、如何なる深さの粒子線治療に対しても、適用自在にしながら、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる。
【００２０】
また、請求項３の粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムでは、ブラッグピークの左右位置を制御自在にし、治療対象部位が左右に広がっているときの粒子線治療に対しても、適用自在にしながら、荷電粒子線パルスの照射に起因して、人体内から放出される遅延陽電子を位置選択的、時間選択的に測定させることができ、これによって荷電粒子線パルスのブラッグピーク位置に静止した正ミュオンのミュエスアール信号を得て、粒子線治療の効果を正確に把握させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第１形態を示す平面図である。
【図２】図１に示す鉛遮蔽板、プラスチックカウンターテレスコープ部分の正面図である。
【図３】図１に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図４】図１に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの動作例を示す模式図である。
【図５】本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第２形態を示す平面図である。
【図６】本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第３形態を示す平面図である。
【図７】生体中における陽子のブラッグピーク位置、正パイオンの静止位置、前方ミュオンの静止位置、後方ミュオンの静止位置を示す模式図である。
【図８】色々なエネルギーの陽子ビームに対する放射線効果の生体厚さ依存性を示すグラフである。
【図９】窒素、クリプトン、アルゴン、キセノンなどの色々な原子核と、陽子とが反応したときに生成される正パイオン生成微分断面積の陽子エネルギー依存性の一例を示すグラフである。
【図１０】パイオンが死滅してミュオンが発生する際に、色々なパイオン運動量（エネルギー）に対して発生するミュオンが持つ運動量の分布と角度の広がりを示すグラフである。
【図１１】水中における、各粒子の飛程（静止するまでに飛行する距離）のエネルギー依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの基本構成例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
《本発明の原理説明》
本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの詳細な説明に先立ち、本発明の原理を説明する。
【００２３】
まず、本発明者は、関連実験データが全て存在している２３０ＭｅＶ陽子線を用いた粒子線治療について、具体的検討を行った。
【００２４】
この結果、陽子ビームパルスの一部により同時発生するスピン偏極した正ミュオンの停止位置と、陽子ビームパルスのブラッグピーク位置とがほぼ一致する点に着目し、正ミュオンの消滅に起因して発生する陽電子（遅延陽電子）を測定すれば、ブラッグピーク位置における分子レベルでの生物物理化学的放射線効果の観測ができることが分かった（本発明の原理）。
【００２５】
次に、２３０ＭｅＶ陽子線と、正ミュオンの消滅に起因して発生する陽電子（遅延陽電子）との関係について、検討内容を具体的に説明する。
【００２６】
まず、２３０ＭｅＶ陽子は生体中で３０ｃｍの深部にブラッグピークを作る。その過程で、９０ＭｅＶ程度の正パイオンを作り、その１／３０が物質中を飛行している途中で崩壊して正ミュオンとなり、その１／１０が１００ＭｅＶ程度のエネルギーを持ち、陽子とほぼ同じ前方方向に進み、３０ｃｍの深さに止まる。このミュオンは陽子の進行方向の反対方向にスピン偏極している。正ミュオンは寿命２．２マイクロ秒で死滅し、スピンの方向に対し、非対称的に最高エネルギー５０ＭｅＶの陽電子を放出する。
【００２７】
また、加速器から出射される陽子ビームは、加速用ＲＦ電場特性に対応する特定のパルス時間構造を持っている。この陽子ビームと生体物質との核反応の結果生ずる高エネルギー陽子、アルファ、電子、ガンマ線などは全て陽子ビームパルス近辺の数ｎｓに集中して放出され、各陽子ビームパルス間の数１００ナノ秒〜数マイクロ秒の間に存在する信号は全て正ミュオンからの陽電子（遅延陽電子）となる。またブラッグピーク以外に止まった正ミュオンからの陽電子は、所定の厚さの鉛遮蔽体で除去することができる。つまり、陽電子の測定器の時間特性と、陽電子の遮蔽体とを適切に製作することにより、ブラッグピーク位置に止まったミュオン以外からの信号を容易に排除することができる。
【００２８】
かくして、陽子ビームパルスに同期して放出される遅延陽電子を時間選択的、位置選択的に測定することで、ブラッグピーク位置でのミュオンスピン信号を得ることができる。この手法で、陽子のブラッグピーク位置モニターはもとより、分子レベルで、放射線効果の生物物理化学的解明が可能になり、粒子線治療の進展を図ることができる。
【００２９】
以下、図７乃至１２と、数式とを参照しながら、本発明の原理について、具体的な構成、数値を箇条書き的に説明する。
【００３０】
（１）図８は色々なエネルギーの陽子ビームに対する放射線効果の生体厚さ依存性を示すグラフである［参考文献１]。このグラフから明らかなように、がん治療に使われる２３０ＭｅＶの陽子ビームを生体などに照射すると、生体の表面から３０ｃｍの深い位置で、ブラッグピークが発生する。
【００３１】
（２）図８に示すように、２３０ＭｅＶ陽子を生体に照射すると、生体の表面から深さ３０ｃｍの位置にブラッグピークができる。この際、陽子の核反応で発生する正パイオンの大半は生体の表面から深さ２０ｃｍの位置に止まる。また、その正パイオンの３０分の１が止まるまでにミュオンに変わり、高エネルギー成分(前方ミュオン)が生体の表面から深さ３０ｃｍの位置に止まり、後方ミュオンが生体の表面から深さ５ｃｍの位置に止まる。
【００３２】
また、生体に照射される２３０ＭｅＶ陽子が１０ナノＡであれば、陽子の方向に、次式に示す９０ＭｅＶ近辺の正パイオンが放出される。
Ｎπ＝ＩＰ×（ｄσ／ｄΩ）×ΔΩ×ｎ×ｔ
＝（０．６３×１０１１）×（０．１×１０−２７）×π／４×（６×１０２３／１８）×１０
＝３×１０６    …（１）
但し、Ｎπ：正パイオンの強度［／ｓ］
ｄσ／ｄΩ：正パイオンの生成微分断面積［ｃｍ2/ｓｒ］
ΔΩ：正パイオン発生立体角［ｓｒ]
ｎ：単位体積当たりの分子数［/(ｃｍ)3]
ｔ：陽子標的の厚さ（ｃｍ）
【００３３】
さらに、９０ＭｅＶ近辺の正パイオンからは、次式に示す１００ＭｅＶの前方ミュオンが生成される。
Ｎμ=Ｎπ×（Δｔs.d.／γπτπ）×（ΔΩμ／Δωdecay）
＝（３×１０６）×（１ns／３０ns）×１／１０
＝１０４    …（２）
但し、Ｎμ：前方ミュオンの強度［／ｓ］
Ｎπ：正パイオンの強度［／ｓ］
Δｔs.d.：減速静止するまでの時間［ｓ]
γπτπ：相対論的補正を加えたパイオンの寿命［ｓ]
ΔΩμ：ミュオン収集立体角［ｓｒ]
Δωdecay：パイオンミュオン崩壊の際のミュオン放出角［ｓｒ]
【００３４】
（３）上記評価では、図９の（ａ）乃至（ｄ）に示すように、窒素、クリプトン、アルゴン、キセノンなどの色々な原子核と、陽子とが反応するとき、陽子エネルギーに応じて、正パイオン生成微分断面積が変化する［参考文献２］。この際、観測対象となっているパイオンのエネルギーが２０度（１１−６０ＭｅＶ）であれば、色々な原子核と、陽子との核子・核子反応の閾値が２８０ＭｅＶ以下であっても、正パイオンの生成微分断面積は十分な値になる。そして、原子が生体を構成している生体原子Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）であれば、２３０ＭｅＶ陽子に対し、前方に生成される、９０ＭｅＶ近辺の正パイオンの生成微分断面積は、０．１×１０−２７ｃｍ2／ｓｒとなる。
【００３５】
（４）また、陽子パイオン生成断面積の陽子エネルギー依存性［参考文献２］が示すように、２３０ＭｅＶの陽子は生体の表面から１０ｃｍまでの生体原子の原子核と反応し、２３０ＭｅＶの陽子の２万分の１に対応する９０ＭｅＶ近辺の正パイオンが陽子の方向に放出され、その３０分の１が正ミュオンに変わり、生体の表面から３０ｃｍで停止する。また、陽子の方向に放出された正パイオンの残りが生体の表面から２０ｃｍの位置までに静止し、２６ｎｓで４ＭｅＶの正ミュオンに変わる。
【００３６】
（５）また、図１０に示す如く色々なパイオン運動量（エネルギー）と、これらの各パイオンが崩壊したときに発生する各ミュオンの運動量分布とその角度の広がりとの関係を示すグラフ［参考文献３］から明らかなように、１７６ＭｅＶ／ｃ（８５ＭｅＶ）のパイオンが崩壊すると、パイオンの飛行経路を軸とした１５度の円筒形状の中に、１８９ＭｅＶ／ｃ（１０７ＭｅＶ）の前方ミュオンと、９０ＭｅＶ／ｃ（３１ＭｅＶ）の後方ミュオンとが発生する。
【００３７】
また、正パイオンが飛行中に変化して得られた正ミュオンは、３０ＭｅＶから１１０ＭｅＶまで分布しているが、その約１０分の１が１００ＭｅＶ以上であり、正パイオンの飛行方向(陽子の方向)と同じ方向（前方）に進む（前方ミュオン）。
【００３８】
また、図１１に示す如く、色々な粒子に対する水中の飛程のエネルギー依存性を示すグラフから明らかなように、各粒子の水中飛程距離は、エネルギー依存性を持ち［参考文献４］、２３０ＭｅＶの陽子が３０ｃｍ、９０ＭｅＶのパイオンが２３ｃｍ、１００ＭｅＶの前方ミュオンが３０ｃｍ、３０ＭｅＶの後方ミュオンは５ｃｍとなる。
【００３９】
（６）これらの各実験データから明らかなように、２３０ＭｅＶの陽子を生体に照射したときに生成される１００ＭｅＶの前方ミュオンは、陽子のブラッグピーク位置と同じ、表面から３０ｃｍの位置に止まる。
【００４０】
また、陽子のブラッグピーク位置と同じ位置で止まった正ミュオン（前方ミュオン）は、陽子の進行方向に対して正反対方向に強くスピン偏極していて、２．２マイクロ秒の時定数で崩壊し、正ミュオンのスピンの方向(陽子線の進行方向の反対方向)に強く偏向した５０ＭｅＶまでの高エネルギー陽電子を放出する。
【００４１】
（７）この高エネルギー陽電子強度の時間変化を、陽子ビームパルス時間を時間基準にして観測することにより、ブラッグピーク位置で、正ミュオンスピンの運動を測ることができ、これによってその位置での分子レベルの磁場の大きさと、その時間変化を捉えることができ、陽子線のブラッグピーク位置での生物物理化学現象を観測することが可能になる（ミュエスアール法）［参考文献３]。
【００４２】
（８）また、陽子ビームパルスの照射が終了してから、１０ｎｓ以降に陽電子観測を開始することにより、陽子線が即時に発生する高エネルギーアルファ、陽子、中性子、ガンマ線、電子などのバックグラウンドノイズを除去することができる。また、生成される放射性原子核からの遅延ベータ線、ガンマ線は強度が弱い。また、静止した正パイオンによって生成された正ミュオンが崩壊したときに生成される陽電子や飛行中の正パイオンによって生成された後方ミュオンが崩壊したときに生成される陽電子は、これらミュオンの静止位置が、前方ミュオンの静止位置に比べ１０ｃｍ以上、上流になるため、図１２に示すように、陽子線のブラッグピーク位置のみに開口部を持つ、適切な鉛遮蔽体を置くことにより、ブラッグピーク位置以外の位置から放出される遅延陽電子などを完全に排除しながら、陽子線のブラッグピーク位置から放出される遅延陽電子のみを通過させて測定させることができる。
【００４３】
（９）また、陽子線強度を１０ｎＡ（０．６３ｘ１０１１／ｓ）とすると、前記（２）式に示すように、陽子のブラッグピーク位置に止まるスピン偏極した正ミュオンは毎秒１万個となる。したがって、立体角１０％の陽電子カウンターを使用すれば、毎秒１０００個程度、陽電子（遅延陽電子）を観測することができ、陽子ビームパルスの照射を開始してから、約３０秒で放射線効果の生物物理化学現象の解明に有用なミュエスアール信号を得ることができる。
【００４４】
（１０）また、枡目状に細分化された複数のプラスチックカウンター（陽電子カウンター）からなる位置敏感陽電子カウンター板を、複数枚重ね合わせた多重分割プラスチックカウンターテレスコープなどを使用することにより、陽電子発生位置を５ｍｍ以内で決定できる。陽子のブラッグピーク位置と、前方ミュオンの静止位置との相関からブラッグピークの位置のモニターとして利用できる。
【００４５】
（１１）以上の定量的な説明は、ブラッグピーク位置が３０ｃｍとなる陽子エネルギー２３０ＭｅＶについて行ったが、陽子ビームのブラッグピークの深さ方向における変化に対しては、図１２に示すように３０ｃｍからの差分に対応する厚さを有する水を置けばよい。陽子ビームと生体とのビーム垂直面上の変化により、深さと垂直な面の位置変化に対応できる。
【００４６】
参考文献
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[2]J.Matensson et a1.Phys. Rev. C62(2000)014610.
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[7].K.Nagamine et al. Physica B404(2009)1020-1023.
【００４７】
《第１形態》
図１は、上述した原理を用いた、本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第１形態を示す平面図である。
【００４８】
この図に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ａは、治療対象となる人（人体）２の治療部位（ブラッグピーク位置）に対応する範囲以外の部分を覆うように配置される鉛遮蔽体３の開口部４に対応する位置に配置され、鉛遮蔽体３の開口部４から外部に放出される遅延陽電子を測定するプラスチックカウンターテレスコープ５と、これら鉛遮蔽体３、プラスチックカウンターテレスコープ５が設けられた粒子線治療室に隣接する操作室内などに配置され、医師などによって操作される操作卓６と、操作室内などに配置され、操作卓６の操作内容、加速器（図示は省略する）から出力される同期信号などに基づき、プラスチックカウンターテレスコープ５から出力される測定結果を解析して、ミュエスアール信号、遅延陽電子の発生位置などを演算する制御／解析装置７と、操作卓６と隣接して配置され、操作卓６の操作内容、制御／解析装置７の解析結果などを画面表示する表示装置８とを備えており、加速器から出射される２３０ＭｅＶの陽子ビームパルスを治療対象となる患者（人体２）に照射させる毎に、ブラッグピーク位置で発生する遅延陽電子のみを位置的、時間的に選択させる。そして、所定時間、連続で遅延陽電子を測定させた後、測定結果を解析させて、表示装置８にミュエスアール信号、遅延陽電子の発生位置などを画面表示させる。
【００４９】
鉛遮蔽体３は、人体内に生成されるブラッグピーク位置（治療部位）に対応する範囲に開口部４が形成された、所定厚さの鉛板によって構成されており、加速器から出射される２３０ＭｅＶの陽子ビームパルスが人体を構成する原子の原子核と反応して生成される各粒子、各放射線のうち、ブラッグピーク位置以外で生成される遅延陽電子などを遮蔽する。そして、開口部４によって、ブラッグピーク位置で生成される遅延陽電子のみを通過させ、プラスチックカウンターテレスコープ５に入射させる。
【００５０】
プラスチックカウンターテレスコープ５は、図２に示す如く陽電子発生位置を５ｍｍ以内で決定し得るように、枡目状に細分化された複数のプラスチックカウンター（陽電子カウンター）からなる位置敏感陽電子カウンター板２枚によって構成されている。第１位置敏感陽電子カウンター板９は、鉛遮蔽体３の開口部４に対応するように、鉛遮蔽体３の外側に配置され、また第２位置敏感陽電子カウンター板１０は、第１位置敏感陽電子カウンター板９と第２位置敏感陽電子カウンター板１０との同時計測により陽電子の経路を演算し、遅延陽電子の発生位置を演算し得るように、第１位置敏感陽電子カウンター板９から所定距離だけ、外側に配置される。そして、制御／解析装置７から計数開始指示が供給されたときから、計数終了指示が供給されるまでの間、第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンターの通過位置、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターの通過位置によって、決定された方向からの遅延陽電子（鉛遮蔽体３の開口部４を通過した遅延陽電子）を計数し、陽電子発生位置と遅延同時信号の時間との計数結果を制御／解析装置７に供給する。
【００５１】
また、操作卓６は、粒子線治療室に隣接する操作室内などに配置されており、医師などによって各種操作ボタンなどが操作されたとき、操作内容に応じた指示信号を生成して、制御／解析装置７に供給する。
【００５２】
制御／解析装置７は、操作室内などに配置されており、操作卓６から照射開始指示が入力されたとき、照射開始信号を生成して、加速器の制御装置に供給する処理、操作卓６から照射終了指示が入力されたとき、照射終了信号を生成して、加速器の制御装置に供給する処理、操作卓６から解析許可指示が供給されている状態で、加速器側の制御装置から２３０ＭｅＶの陽子ビームパルスを出射中であることを示す同期信号が供給される毎に、同期信号の立ち下がり時刻から１０ｎｓ遅延させて、所定幅（例えば、１００ナノ秒〜数マイクロ秒の幅）の遅延信号を生成する処理、この遅延信号の立ち上がりと同期させて、プラスチックカウンターテレスコープ５に計数開始指示を供給し、第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターに遅延陽電子の計数を開始させ、第１位置敏感陽電子カウンター板９と第２位置敏感陽電子カウンター板１０との同時計測から、陽電子発生位置と遅延同時信号の時間との情報を集積する処理、遅延信号の立ち下がりに同期して、プラスチックカウンターテレスコープ５に計数終了指示を供給し、各陽電子カウンターの計数動作を停止させる処理、各陽電子カウンターの計数結果を取り込んで記憶する処理、加速器側の制御装置から最初の同期信号が出力されてから、所定時間、例えば３０秒（各陽電子カウンターの計数値がミュエスアール信号を生成するのに十分な値になるまでの時間）が経過したとき、記憶している各陽電子カウンターからの計数結果を解析して、ミュエスアール信号を生成するとともに、遅延陽電子の発生位置（陽電子発生場所）を演算する処理、陽電子発生場所毎に区分されたミュエスアール信号を得る処理、などを行う。
【００５３】
また、表示装置８は、操作卓と隣接して配置されており、操作卓の操作内容、制御／解析装置の解析結果などを画面表示する。
【００５４】
次に、図１に示す平面図、図２に示す正面図を参照しながら、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ａの動作を説明する。
【００５５】
まず、看護師、医師などによって、粒子線治療室内に設置された治療台に、治療対象となる患者（人体２）が載せられた後、治療対象部位に対応する形状に形成された鉛遮蔽体３、プラスチックカウンターテレスコープ５が患者（人体２）の治療対象部位に取り付けられて固定される。
【００５６】
次に、看護師、医師などによって、治療対象部位が加速器の出射路に連結された照射装置１１と対応する位置になるように治療台の位置が調整された後、粒子線治療室内から患者以外の人が出て、粒子線治療室のドアが閉じられる。
【００５７】
そして、看護師、医師などによって、安全が確認されたとき、粒子線治療の準備が完了する。
【００５８】
この後、操作室内にいる医師によって、操作卓６が操作されて、照射開始指示が入力されると、制御／解析装置７によって、照射開始信号が生成されて、加速器の制御装置に供給される。
【００５９】
これにより、加速器の制御装置によって、陽子発生源、線形加速器、加速器のリングなどが起動されて、陽子発生源で得られた陽子が線形加速器に導入され、所定のエネルギーになるまで、加速された後、加速器のリングに導入され、２３０ＭｅＶになるまで加速される。
【００６０】
そして、加速器のリングによって、陽子が２３０ＭｅＶまで加速されると、加速器の制御装置によって、出射路、ビーム輸送系、照射装置１１などが起動されて、加速器のリング→出射路→ビーム輸送系→照射装置１１なる経路で、２３０ＭｅＶまで加速された陽子が粒子線治療室内に設置された照射装置１１に導かれ、数ｎｓ幅の陽子ビームパルスとして、治療台に載せられている患者（人体２）の治療対象部位に照射されるとともに、加速器の制御装置によって、陽子ビームパルスを出射したことを示す同期信号が生成され、制御／解析装置７に供給される。
【００６１】
また、上述した動作と並行し、患者（人体２）に照射された陽子ビームパルスが患者（人体２）の治療対象部位（生体中で３０ｃｍの深さ）に到達し、ブラッグピークが生成されるとともに、人体２中で陽子ビームパルスの一部が９０ＭｅＶ程度の正パイオンになり、その１／３０が人体２内を飛行している最中に崩壊して正ミュオンとなり、その１／１０が１００ＭｅＶ程度のエネルギーを持ち、進行方向にスピン偏極した正ミュオンとなって、陽子ビームパルスとほぼ同じ方向に進み、患者（人体２）の治療対象部位（生体中で３０ｃｍの深さ）で止まる。
【００６２】
そして、平均寿命２．２マイクロ秒が経過したとき、患者（人体２）の治療対象部位（生体中で３０ｃｍの深さ）で停止した正ミュオン（前方ミュオン）が死滅して、スピンの方向に対し、異方的に最高エネルギー５０ＭｅＶの陽電子を放出する。
【００６３】
また、上述した動作と並行し、図３の（ａ）、（ｂ）に示す如く陽子ビームパルスが出射されていることを示す同期信号が立ち下がると、制御／解析装置７によって、これが検知されて、図３の（ｃ）に示す如く同期信号の立ち下がりから１０ｎｓが経過したとき、遅延信号の生成が開始されるとともに、遅延信号の立ち上がりと同期するように、プラスチックカウンターテレスコープ５に計数開始指示が供給され、第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターによって、遅延陽電子（前方ミュオンの死滅に起因して放出される遅延陽電子）の計数が開始される。
【００６４】
この際、加速器から出射される２３０ＭｅＶの陽子ビームパルスが人体２を構成する原子の原子核と反応して、ブラッグピーク位置で生成される遅延陽電子以外の粒子、放射線、例えば陽子ビームパルスが発生する高エネルギーアルファ、陽子、中性子、ガンマ線、電子などのバックグラウンドノイズが発生しても、同期信号の立ち下がりから１０ｎｓが経過し、遅延信号が立ち上がった時点で、バックグラウンドノイズがほぼ消滅していることから、時間的にバックグラウンドノイズが遮蔽される。
【００６５】
さらに、図４に示す如く鉛遮蔽板３によって、後方ミュオンが消滅したときに生成される遅延陽電子、ブラッグピーク位置より上流側で停止したミュオンが消滅したときに生成される遅延陽電子などが三次元空間的に遮蔽されることから、ブラッグピーク位置で生成される遅延陽電子のみが、鉛遮蔽板３の開口部４を通過して、第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターに入射し、計数される。
【００６６】
この後、遅延信号の立ち上がりから１００ナノ秒〜数マイクロ秒が経過したとき、制御／解析装置７によって、これが検知されて、遅延信号の生成が停止させられるとともに、遅延信号の立ち下がりに同期して、プラスチックカウンターテレスコープ５に計数終了指示が供給されて、第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターの計数動作が停止させられると共に、これら第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターで得られた計数結果が、陽電子発生位置と遅延同時信号の時間との情報として取り込まれて、記憶される。
【００６７】
以下、加速器によって、２３０ＭｅＶまで加速された陽子が陽子ビームパルスとして、患者（人体２）の治療対象部位に照射される毎に、制御／解析装置７によって、上述した第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターの計数開始動作、計数終了動作が繰り返され、前方ミュオンの死滅に起因して放出される遅延陽電子を計数した数値が蓄積される。
【００６８】
この後、加速器側の制御装置から最初の同期信号が出力されたときを基準とし、所定時間、例えば３０秒（第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンター、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターの計数値がミュエスアール信号を生成するのに十分な値になるまでの時間）が経過したとき、制御／解析装置７によって、蓄積記憶されている第１位置敏感陽電子カウンター板９の各陽電子カウンターの計数結果、第２位置敏感陽電子カウンター板１０の各陽電子カウンターにおける計数結果の解析が開始され、ミュエスアール信号が生成されるとともに、遅延陽電子の発生位置が演算されて、陽電子発生場所毎に区分されたミュエスアール信号が、表示装置８に画面表示される。
【００６９】
このように、この第１形態では、陽子ビームパルスを人体２に照射したとき、陽子ビームパルスの一部が正パイオンに変化し、さらにその一部が正ミュオンに変化して、ブラッグピーク位置に停止した後、２．２マイクロ秒の時定数で崩壊したときに放出される遅延陽電子を測定して、ミュエスアール信号、ブラッグピーク位置情報を生成するようにしているので、次に述べる効果を得ることができる（請求項１の効果）。
（ａ）まず、既存の陽子線治療施設ですぐに実施できる。この際、早い取り出し陽子シンクロトロンが理想的だが、時間構造を持つシンクロトロン・サイクロトロンでも利用できる。また、重イオンビームの施設にも適用できる。
（ｂ）また、粒子線治療中のその場その時間での観測が可能であるとともに、５ｍｍ以内の空間分解能、３０秒以内のデータ取得を可能にすることができる。
（ｃ）また、陽電子のブラッグピークの位置モニターはもとより、放射線効果の分子レベルの生物物理化学現象の解明を可能にし、粒子線治療の進展が図ることができる。また、対象となる現象の例として、（１）水中のラジカル生成密度の決定とそれによる陽子ブラッグピーク位置の決定、（２）ヘム蛋白の磁性の変化の観測、（３）蛋白質・ＤＮＡ中の電子伝達の変化の観測。
（ｄ）プラスチックカウンターテレスコープ５などの多重位置敏感陽電子検出器により、陽電子の経路を選ぶことにより、ミュエスアール信号発生源の空間解像度を上げられる。
（ｅ）ビーム診断をこえて、真の粒子線の放射線効果の生物物理化学現象、がん治療の本質を解明できる。
【００７０】
《第２形態》
図５は、本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第２形態を示す平面図である。なお、この図において、図１の各部と同じ部分には同じ符号が付してある。
【００７１】
この図に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ｂが図１に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ａと異なる点は、照射装置１１の陽子ビームパルス出射口と、患者（人体２）との間に前置エネルギー吸収体１２を配置し、２３０ＭｅＶまで加速された陽子が粒子線治療室内に設置された照射装置１１に導かれ、数ｎｓ幅の陽子ビームパルスとして、治療台に載せられている患者（人体２）の治療対象部位に照射されたとき、生体中の深さ３０ｃｍより、浅い場所で、ブラッグピークが発生するようにしたことである。
【００７２】
前置エネルギー吸収体１２は、厚さが調整自在に構成され、内部に水が満たされた水槽、又は所定の厚みに形成され、内部に水が満たされた複数の水槽の積層体などによって構成されており、照射装置１１の陽子ビームパルス出射口から出射される陽子ビームパルスが持つエネルギーの一部を吸収して、生体中の深さ３０ｃｍより浅い場所で、ブラッグピークを発生させる。
【００７３】
このように、この第２形態では、照射装置１１の陽子ビームパルス出射口と、患者（人体２）との間に前置エネルギー吸収体１２を配置し、２３０ＭｅＶまで加速された陽子が粒子線治療室内に設置された照射装置１１に導かれ、数ｎｓ幅の陽子ビームパルスとして、治療台に載せられている患者（人体２）の治療対象部位に照射されたとき、生体中の深さ３０ｃｍより、浅い場所で、ブラッグピークが発生するようにしているので、人体２の如何なる深さの治療部位でも、粒子線治療を行わせることができる（請求項２の効果）。
【００７４】
《第３形態》
図６は、本発明による、粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムの第３形態を示す平面図である。なお、この図において、図１の各部と同じ部分には同じ符号が付してある。
【００７５】
この図に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ｃが図１に示す粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム１ａと異なる点は、照射装置１１内にビーム左右スキャナ１３を配置し、照射装置１１から出射される陽子ビームパルスの出射方向、又は出射位置を調整して、患者（人体２）の治療対象部位が広い場合にも、これに対処し得るようにしたことである。
【００７６】
ビーム左右スキャナ１３は、複数の電磁石などによって構成されており、制御／解析装置７からの指示に従い各電磁石などを動作させて、陽子ビームパルス出射口から出射される陽子ビームパルスの出射方向、又は出射位置を左右に移動させる。
【００７７】
このように、この第３形態では、照射装置１１内にビーム左右スキャナ１３を配置し、加速器のリングに連結された照射装置１１から出射される陽子ビームパルスの出射方向、又は出射位置を調整して、患者（人体２）の治療対象部位が広い場合にも、これに対処し得るようにしているので、治療対象部位が左右に広がっているときでも、連続的に粒子線治療を行わせることができる（請求項３の効果）。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、放射線医学などで使用される粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムに関し、特に、ブラッグピークにおける放射線効果を直接観測し得るようにした粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システムに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００７９】
１ａ、１ｂ、１ｃ：粒子線医療におけるミュオン・モニタリング・システム
２：人体
３：鉛遮蔽体（遮蔽体）
４：開口部
５：プラスチックカウンターテレスコープ（陽電子検出器）
６：操作卓
７：制御／解析装置
８：表示装置
９：第１位置敏感陽電子カウンター板（陽電子検出板）
１０：第２位置敏感陽電子カウンター板（陽電子検出板）
１１：照射装置
１２：前置エネルギー吸収体
１３：ビーム左右スキャナ
【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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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図８】
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