(57)【要約】【課題】  粒子線治療装置及び粒子線治療時の被曝位置測定方法において、がん患者における奥行き方向の最大被爆位置を正確に、短時間で測定する。【解決手段】  粒子線治療装置を、生体に粒子線を照射する粒子線照射装置と、前記生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギーγ線発生位置測定器と、前記高エネルギーγ線発生位置測定器により測定した高エネルギー発生位置測定器により測定したγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝線量分布を算出する被曝線量分布算出部を有するものとした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に粒子線を照射する粒子線照射装置と、前記生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギーγ線発生位置測定器と、前記高エネルギーγ線発生位置測定器により測定した高エネルギー発生位置測定器により測定したγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝線量分布を算出する被曝線量分布算出部を有する粒子線治療装置。
【請求項２】
前記高エネルギーγ線発生位置測定器は、前記生体の周囲に配置されたシンチレーターと前記シンチレーターの周囲に配置された複数の波長変換ファイバーとを有し、前記シンチレーターに前記γ線が入射して発光し、発光したγ線が前記波長変換ファイバーに入射して再発光し、前記再発光した波長変換ファイバーを特定することにより前記γ線の発生位置を測定することを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
【請求項３】
前記高エネルギーγ線のエネルギーが10MeV以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
生体に粒子線を照射する治療時に、生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギー発生位置測ステップと、前記高エネルギー発生位置測定ステップにより測定した高エネルギーγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝分布を算出する被曝分布算出ステップとを有することを特徴とする粒子線治療時の被曝位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置（加速器ビームがん治療装置）及び粒子線治療時の被曝位置測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加速器により発生したビームをがん患者のがん細胞に照射して、がん細胞を死滅又は縮小させ、がんを治療する方法がある。
【０００３】
非特許文献１には、粒子線治療でがんが治療できる原理が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】http://www.antm.or.jp/05_treatment/0201.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
加速器ビームでは奥行き方向の最大被曝位置を正確に定めることが可能で、ビームと垂直方向でも1mm以下の精度で被曝位置を限定できる。しかし、ビームが正しくがん患者のがん組織に照射されているかの確認するのが困難であるという課題やがん患者における被曝位置を測定する必要があるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、がん患者の奥行き方向の最大被爆位置を正確に、短時間で測定することができる加速器ビームがん治療装置及び加速器ビームがん治療方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの観点によれば、上記課題を解決するために、粒子線治療装置を、生体に粒子線を照射する粒子線照射装置と、前記生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギーγ線発生位置測定器と、前記高エネルギーγ線発生位置測定器により測定した高エネルギー発生位置測定器により測定したγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝線量分布を算出する被曝線量分布算出部を有するものとした。
【０００８】
さらに、前記高エネルギーγ線発生位置測定器は、前記生体の周囲に配置されたシンチレーターと前記シンチレーターの周囲に配置された複数の波長変換ファイバーとを有し、前記シンチレーターに前記γ線が入射して発光し、発光したγ線が前記波長変換ファイバーに入射して再発光し、前記再発光した波長変換ファイバーを特定することにより前記γ線の発生位置を測定するものとするとより適切である。また、前記高エネルギーγ線のエネルギーが10MeV以上とするとより適切である。
【０００９】
また、本発明の他の観点によれば、粒子線治療時の被曝位置測定方法を、生体に粒子線を照射する治療時に、生体内で発生した高エネルギーγ線の発生位置を測定する高エネルギー発生位置測ステップと、前記高エネルギー発生位置測定ステップにより測定した高エネルギーγ線の発生位置に基づき、前記生体内の被曝分布を算出する被曝分布算出ステップとを有するものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、粒子線治療装置及び粒子線治療時の被曝位置測定方法において、がん患者における奥行き方向の最大被爆位置を正確に、短時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】シミュレーションを行なったγ線発生位置の分布を示す図である。
【図２】本実施例のγ線発生位置測定装置構成を示す図である。
【図３】本実施例の追跡部の構造を示す図である。
【図４】本実験の実験装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の例及び実施例を説明するが、本発明の実施形態は以下に説明する実施形態例及び実施例に限定されるものではない。
【００１３】
発明者らはシミュレーション計算でビームが照射されている位置からは様々なエネルギーの中性子やγ線が放出されており、それらの平均自由飛行距離は10cm程度であり、以下の現象が起きていることを知った。高エネルギー中性子はビーム軸から離れた場所で原子核と衝突して原子核を励起し、11Cや15Oなどの陽子過剰核を生成する。高エネルギーγ線はビーム軸から離れた場所でコンプトン散乱によって1〜5MeVのγ線を生成し、また電子陽電子対生成反応を起こす。陽子過剰核や対生成で発生した陽電子は離れた場所で一対の511keVγ線を作る。また励起原子核からも1〜5MeVのγ線が発生する。すなわち511keVγ線ペアや1〜5MeVγ線の発生場所の多くは加速器ビーム照射位置から離れており、それらの事象をいくら観測してもビーム照射位置が再構成できない。
【００１４】
加速器ビームを生体に照射すれば様々なエネルギーの中性子やγ線が発生するが、低エネルギーγ線（5MeV以下）は２次３次反応でも発生し、ビーム照射位置だけから発生するのは10MeV以上の高エネルギー中性子と高エネルギーγ線だけである。このうち高エネルギー中性子は位置と方向を同時に測定するのが困難であり、ビーム照射位置の直接測定には10MeV以上の高エネルギーγ線の測定だけである。
【００１５】
高エネルギーγ線は測定器内で電子陽電子対生成反応を起こす。そこで測定器内で対生成が起きた位置・電子と陽電子の進行方向・電子と陽電子のエネルギーを測定すれば、元の高エネルギーγ線の軌道が求められる。この直線と加速器ビームの直線の交点が高エネルギーγ線の発生位置であり、この位置を多数観測すれば被曝線量分布が得られる。
【００１６】
現在の加速器ビームによるがん治療ではビーム照射地点の調整に30分〜１時間が必要で、実際のビーム照射は１分程度である。またビームの奥行き方向の最大被曝位置ががん組織に重なるようにシミュレーション計算によって入射エネルギーを決定しており、患者の体質などによってビーム照射位置が前後にずれる危険性がある。本発明が実用化すれば、最初に１秒程度ビームを照射して体内の被曝位置を測定し、照射位置ががんに重なるように調整して本格的な照射治療を行う。照射中も被曝位置を常に測定できるので、ビーム照射によるがん治療がはるかに安全になる。また患者一人あたりの照射装置占有時間も1/10以下になるので、治療費も大幅に減少する。
【００１７】
本装置は、10MeV以上の高エネルギーγ線の位置と進行方向の同時に測定する。また、γ線による電子陽電子対生成事象において電子と陽電子の進行方向とエネルギーを独立に測定する。さらに、余分な荷電粒子が同時入射していないことや余分なγ線が発生していないことを測定する。
【００１８】
本測定器は５部分から構成される。
【００１９】
第１部は板状プラスチックシンチレーターで、荷電粒子が入射していないことを測定する。
【００２０】
第２部はシンチレーター（例えば、板状無機シンチレーター、高速抽出シンチレーター等）と波長変換ファイバーを用いた測定器で、入射γ線が電子陽電子対に変化した位置を測定する。
【００２１】
第３部は複数層のシンチレーションファイバーシートで構成される荷電粒子（電子と陽電子）の位置検出器で、電子と陽電子の進行方向を測定する。
【００２２】
第４部は1cm×1cm×10cm程度のプラスチックシンチレーターで構成される電子と陽電子のエネルギー測定器である。
【００２３】
第５部は第２部から第４部で電子や陽電子から制動輻射γ線が発生していないことを確認するためのγ線測定器で、第２部と同様な構造ではあるが全ての波長変換ファイバーを小数の光電子増倍管で観測する。本実施形態によれば、粒子線治療時において、患者の体内における被曝位置を高精度に測定することができる。また、被曝位置を測定した結果、被曝位置ががん細胞の位置からずれていた場合、がん細胞の位置と被曝位置を一致させるように粒子線の出力・方向を調節することができる。
【実施例１】
【００２４】
１．はじめに
粒子線治療において、がん細胞は、がんの位置とブラッグ・ピーク位置が一致することにより殺傷される。言い換えると、少しでもブラッグ・ピークの位置ががんの位置から外れると、正常細胞が損傷してしまう。したがって、粒子線治療において、ブラッグ・ピークの位置を測定することが重要である。ブラッグ・ピーク位置を測定するために、これまでポジトロン断層測定装置（PET装置）やコンプトン・カメラが検討されてきた。
【００２５】
発明者らは、炭素線治療及び陽子線治療において、二次的に生成されるγ線の分布を、GEANT4 Monte Carlo Simulation Codeを用いてシミュレーションを行なった。陽子線治療の結果を図１に示す。また、シミュレーションに使用したパラメータを表１に示す。このシミュレーションでは、10MeV以上のγ線がブラッグ・ピーク位置に集中的に発生することが示された。他方、エネルギーが約0.511MeVのγ線は、生体内に広く分布していることが分かった。このことから、ブラッグ・ピーク位置を測定するには、高エネルギーのγ線を使用するのが最適であることが判明した。
【００２６】
図１は、陽子線治療において、二次的に生成されたγ線が最終的に散乱した位置の分布をシミュレーションした結果を示す図である。図１の横軸は、生体内の深さ方向の位置を示し、縦軸は、生体の垂直方向の位置を示す。
【表１】
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【００２７】
２．方法
10MeV以上のエネルギーを持つγ線のほとんどは、対生成反応を起こす。γ線の軌道は、通過点と対生成された電子（e-）と陽電子(e+)のエネルギーを測定することにより、算出することができる。ブラッグ・ピークの位置は、γ線の軌道と粒子線の軌道の交点を求めることにより算出することができる。
【００２８】
発明者らは、発光点から発生したγ線により検出器内で生じた対生成事象を測定することができるブラッグ・ピーク位置測定システムを開発した。図２が、その測定システムの模式図である。このシステムは、５つの構成要素から構成される。
【００２９】
第１の部分は、変換部１１である。この部分は、多数の層から構成される。それぞれの層は、La-GPS((GD0.75La0.24Ge0.01)2Si2O7)シンチレーター板１１１と波長変換ファイバー（WLSF）シート１１２から構成される。シンチレーター板のサイズは、300mm×300mm×1mmである。このシートは、直径0.2mmの1500本の波長変換ファイバーを並べて構成されている。シンチレーター板は、シートに挟まれており、シートの方向は、x方向とy方向に直交している。本部分では、γ線が電子陽電子対に変換され、変換が発生した位置が決定される。
【００３０】
第２の部分は、追跡部１２である。この部分は、２層のシンチレーティング・ファイバー追跡部によって構成される。各層は、x, x', u, u', v及びv'用の６個のシンチレーティング・ファイバー・シート１２１を有する。図３は、本層の構造を示す図である。
【００３１】
第３の部分は、エネルギー測定部１３である。本部分は、プラスチックシンチレーター群１３１及びSiPM１３２によって電子及び陽電子のエネルギーを測定する。各シンチレーターのサイズは、20mm×20mm×100mmである。
【００３２】
第４の部分は、電子や陽電子から制動輻射γ線が発生しているかどうか確認するためのVeto用測定部１３４である。本部分は、６０層の変換部の簡略化された測定器から構成される。波長変換ファイバーシートは、片側だけに配置され、各波長変換ファイバーに光電子増倍管（PMT）が接続されている。本部分では、99%の効率が期待できる。
【００３３】
第５の部分は、ビーム測定器である。本部分は、追跡部を簡略化したものである。
【００３４】
発明者は、実験により、本システムの基本的な性能を確認した。WLSF（B-3(300)MJ, φ0.2mm, クラレ製）シート２１が配置された厚さ1mmのLa-GPS板状シンチレーター２２を荷電粒子が通過したときの光電子の数を測定した。また、90Sr放射線源２３から発生したβ線がシンチレーティング・ファイバー（SCSF-78,φ1.0mm,クラレ製）を通過したときの光電子の数を測定した。ファイバーの片側だけにPMTが接続されている。実験装置の構成を図４に示す。
【００３５】
３．結果
0.511MeVγ線の光電子の数は、平均14.7であった。また、90Sr放射線源から発生したβ線がLa-GPSシンチレーター板を通過したときの光電子の数は、平均9.7個であり、シンチレーティング・ファイバーからの光電子は、平均7.6個であった。
【００３６】
４．結論
ブラッグ・ピーク位置を測定するには、高い数値のMeVを有するγ線を使用するのが適していることが分かった。このようなγ線を測定するためには、本システムのように対生成事象を使用することが最も合理的であることが分かった。本実験により、本システムの構成要素は、十分な発光量を測定することができることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、粒子線治療装置として、産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  変換部
１１１  シンチレーター板
１１２  波長変換ファイバーシート
１２  追跡部
１２１  シンチレーティング・ファイバー・シート
１３１  プラスチックシンチレーター群
１３２  SiPM
１３４  Veto用測定部
２１  WLSFシート
２２  La-GPS板状シンチレーター
２３  90Sr放射線源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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