(57)【要約】  透過性電離放射線ビームモニタリングシステムは、入射電離放射線ビームに対する入口ウィンドウおよび出口ウィンドウを含む筐体構造を備え、入口ウィンドウおよび出口ウィンドウは高透過性である。このシステムはさらに、直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり入射放射線ビームに対して透過性である、筐体構造内の薄型シンチレータと、シンチレータに面し内部システム較正のための、筐体構造内の紫外線（「ＵＶ」）光源とを備える。実施形態はさらに、ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、筐体構造内のＵＶフォトセンサと、極めて近接するミラーを通してシンチレータを観察するレンズを含む、筐体構造内のマシンビジョンカメラとを備え、これは、シンチレータの側部に位置する折り畳まれた光軸システムを含む。
2021525899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過性電離放射線ビームモニタリングシステムであって、
入射電離放射線ビームに対する超薄型で暗色または黒色の出口ウィンドウを有する筐体構造を備え、前記出口ウィンドウは高透過性であり、
直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり前記入射放射線ビームに対して透過性である、前記筐体構造内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、
前記シンチレータに面し内部システム較正のための、前記筐体構造内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、
前記ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、前記筐体構造内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、
入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、カメラ本体とレンズとを含む、前記筐体構造内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラとを備え、その光軸の投影は、前記シンチレータの表面に対する入射角度が５０±３０度となるように配向される、透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項２】
前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理し分析するためのフレームグラバを含むコンピュータシステムと、
前記マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイス接続とをさらに備える、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項３】
シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、前記複数のカメラの各々は、前記シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた対応するレンズを有し、その視野は前記特定セクションを中心とする、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項４】
各ＵＶ光源に極めて近接して光学的に結合されたＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項５】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項６】
前記コンピュータシステムは、ビームの位置および動きを追跡することと、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、前記マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算することとをさらに含む、請求項２に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項７】
前記薄型シンチレータは、二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）を含む、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項８】
透過性電離放射線ビームモニタリングシステムであって、
入射電離放射線ビームに対する超薄型の入口ウィンドウと超薄型の出口ウィンドウとを含む、光を通さない筐体を備え、前記入口ウィンドウおよび前記出口ウィンドウは、前記入射電離放射線ビームに対して高透過性であり、暗色または黒色の、ポリマーフィルムまたは金属箔またはポリマーと箔とを組み合わせた複合物、のうちの１つを含み、
直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり前記入射放射線ビームに対して透過性である、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、
前記シンチレータに面し内部システム較正のための、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、
前記ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、
入射電離放射線ビーム経路の外に位置する、カメラ本体とレンズとを含む、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラと、
各レンズに極めて近接し、入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、前記レンズおよび前記シンチレータの両方に対して斜めにある角度をなして面する、ミラーとを備え、前記マシンビジョンカメラと、前記マシンビジョンカメラに対応付けられた極めて近接するミラーとは、前記光を通さない筐体の厚さまたは深さを減じるための、前記シンチレータの表面へのその視野に対して折り畳まれた光学系構成を含む、透過性電離放射線ビーム。
【請求項９】
前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理し分析するためのフレームグラバを含むコンピュータシステムと、
前記マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイス接続とをさらに備える、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１０】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１１】
各ＵＶ−ＬＥＤ光源に極めて近接して光学的に結合された１つのＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ−ＬＥＤ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項１０に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１２】
前記電離放射線ビームは、外照射療法によるがんの治療に対して最適化され、電子、陽子、イオンもしくは中性子の粒子ビーム、または、Ｘ線もしくはガンマ線の光子ビームのうちの一方を含む、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１３】
前記薄型シンチレータは、厚さの範囲が１μｍ〜３００μｍである二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）のフィルムまたはシートを含む、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１４】
前記シンチレータはロール・ツー・ロールシンチレータ供給構成を含み、シンチレータフィルムが、前記光を通さない筐体の内部に位置する小径の供給スプール上に巻かれて保管され、ビーム軸通過ウィンドウエリアを通って巻取スプール上まで引っ張られ、前記シンチレータフィルムは、巻取スプールスピンドルを回転させてシンチレータフィルムの新たな部分を前記ビームウィンドウエリアを通して移動させることにより過去にダメージを受けた放射エリアと置き換えるステッピングモータによって送ることができる、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１５】
入口ウィンドウおよび出口ウィンドウのうちの一方または双方は、ウィンドウ／シンチレータフレーム構造が前記光を通さない筐体の外部からアクセス可能な単一の交換可能なモジュールユニットを含むように、薄型フレームによって前記薄型シンチレータに個別に物理的に結合される、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１６】
シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、各々のカメラは、前記シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた、その折り畳まれた光学系のレンズを有し、その視野は前記特定セクションを中心とする、請求項９に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１７】
コンピュータシステムはフレームグラバを含み、前記フレームグラバは、前記複数のカメラからのデータを組み合わせてシンチレータエリア全体にわたる前記ビームの位置および動きを追跡し、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、前記マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算する、請求項１６に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１８】
前記複数のマシンビジョンカメラのうちのいくつかのマシンビジョンカメラは短露光時間で動作し、その他のマシンビジョンカメラは長露光時間で動作する、請求項１７に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１９】
入口および出口は、デュアルウィンドウ／シンチレータモジュールシステムを含み、前記マシンビジョンカメラの近接するミラーの折り畳まれた光学系ユニットのうちのいくつかは、入口シンチレータエリアに焦点を合わせ、残りは、出口シンチレータエリアに焦点を合わせ、前記コンピュータシステムは、前記２つのシンチレータ間のビーム角度の相違を計算する一方で、前記ビームの位置、動き、強度プロファイル、フルエンスおよび外部線量測定の精度および分解能を改善することができる、請求項１７に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項２０】
電離放射線のビームをモニタリングする方法であって、前記方法は、高速内部較正システムを用いて、ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡するステップを含み、前記方法は、
前記電離放射線のビームを透過性薄型シンチレータで受けるステップを含み、前記シンチレータは、光を通さない構造に封入され、前記光を通さない構造は、入射電離放射線ビームに対して高透過性である入口および出口と、少なくとも１つのミラーおよび１つのマシンビジョンカメラを含む折り畳まれた光学系と、前記薄型シンチレータに面する少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、前記ＵＶ光源をモニタリングするように配置された少なくとも１つのＵＶフォトセンサとを有し、コンピュータシステムが、フレームグラバと、各マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイスとを含み、前記方法は、
多数の放出光子を生成するステップを含み、前記光子のうちの一部は前記マシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系にリアルタイムで捕捉され、
各マシンビジョンカメラからの一連のストリーミング画像を前記コンピュータシステムに与えるステップとを含み、
前記コンピュータシステムは、前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理および分析することにより、前記ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡し、
前記高速内部較正システムが、前記ＵＶ光源を周期的に起動することにより、前記薄型シンチレータのアクティブエリア全体を照明する一方で、前記ＵＶフォトセンサが、前記ＵＶ光源をモニタリングすることにより、経時的なＵＶ光源信号ドリフトまたは不安定性を補正し、一方、前記マシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系は、前記シンチレータの光子放出の画像をそのアクティブエリアにわたってストリーミングし、
前記コンピュータシステムは、前記マシンビジョンカメラのデジタル画像出力を、同一条件で得られた、前記薄型シンチレータの、過去に保存されたデジタル画像出力と比較することで、経時的なシステム安定性をモニタリングし、パフォーマンスの小さな変化に対して前記システムを内部較正し、予めプログラミングされたガイドラインに従い前記シンチレータの構成要素の変更が必要なときに信号で知らせる、または、その他のハードウェアもしくはソフトウェア問題が検出されたときにフラグを立てる、方法。
【請求項２１】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記折り畳まれた光学系は、各ＵＶ−ＬＥＤ光源に極めて近接して光学的に結合された１つのＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ−ＬＥＤ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電離放射線ビームを外照射療法によるがんの治療に対して最適化するステップをさらに含み、電子、陽子、イオンもしくは中性子の粒子ビーム、または、Ｘ線もしくはガンマ線の光子ビームのうちの一方を含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１８年８月６日出願の米国仮特許出願第６２／７１４，９３７号、２０１９年３月７日出願の米国仮特許出願第６２／８１５，００６号、および２０１９年６月１１日出願の米国仮特許出願第６２／８５９，９５２号に基づく優先権を主張する。これらの出願の各々の開示を本明細書に引用により援用する。
【０００２】
政府実施許諾権
本発明は、一部、米国国立衛生研究所（米国国立がん研究所）からＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，ＬＬＣに授与された１つのＳＢＩＲ（Small Business Innovation Research：中小企業技術革新研究）助成金（番号：５Ｒ４４ＣＡ１８３４３７）および米国エネルギー省（科学部）からＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，ＬＬＣに授与された２つのＳＢＩＲ支援協定（授与番号ＤＥ−ＳＣ００１３２９２およびＤＥ−ＳＣ００１９５９７）による政府支援を受けてなされたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
分野
一実施形態は、概して放射線ビームモニタリングを対象とし、特に、放射線ビーム自体の品質への影響を最小にしつつ、粒子または光子放射線の電離ビームをモニタリングすることを対象としている。
【背景技術】
【０００４】
背景情報
がんの治療において最も一般的なタイプの放射線治療は、外照射療法（external beam radiation therapy）（「ＥＢＲＴ」）である。この治療では、加速器を用いて比較的高エネルギーの粒子または光子ビームを生成し体外から腫瘍内部へと正確に照射する。さまざまなＥＢＲＴ技術があり、使用される放射線のタイプは、大きく２つのカテゴリー、すなわち、（１）陽子、イオン、電子などのような電離粒子と、（２）比較的低ＭｅＶのガンマ線またはＸ線のような電離光子とに、分けられる。電離光子は、ＥＢＲＴに用いられるより一般的なタイプの放射線である。粒子ビーム放射線治療の場合、陽子、炭素イオンおよび電子に加えて、使用されるまたは研究中のその他のタイプの粒子ビームは、ヘリウム、酸素、ネオンおよびアルゴンイオンならびに低エネルギーの中性子（たとえば低速−熱中性子）を含む。低エネルギーの中性子は、たとえば、ホウ素中性子捕捉療法（boron neutron capture therapy）（「ＢＮＣＴ」）およびガドリニウム中性子捕捉療法（gadolinium neutron capture therapy）（「Ｇｄ−ＮＣＴ」）に使用される。
【０００５】
粒子および格子ＥＢＲＴ双方の場合において、さまざまな照射方法があり、それらは、強度変調放射線治療（intensity modulated radiation therapy）（「ＩＭＲＴ」）、強度変調陽子線治療（intensity modulated proton therapy）（「ＩＭＰＴ」）、三次元原体放射線治療（three-dimensional conformal radiation therapy）（「３Ｄ−ＣＲＴ」）、画像誘導放射線治療（image guided radiation therapy）（「ＩＧＲＴ」）、強度変調回転照射治療（volumetric modulated arc therapy）（「ＶＭＡＴ」）、ペンシルビームスポットスキャン、ペンシルビームラスタースキャン、らせんトモセラピー（helical-tomotherapy）、定位手術的放射線治療（stereotactic radiosurgery）（「ＳＲＳ」）、体幹部定位放射線治療（stereotactic body radiation therapy）（「ＳＢＲＴ」）、分割定位放射線治療（fractionated stereotactic radiotherapy）（「ＦＳＲＴ」）、空間分割格子放射線治療（spatially fractionated grid radiation therapy）（「ＳＦＧＲＴ」）、超高線量率ｆｌａｓｈ治療（ultrahigh dose-rate flash therapy）（「ＦＬＡＳＨ」）、術中放射線治療（intraoperative radiation therapy）（「ＩＯＲＴ」）、ホウ素中性子捕捉療法（「ＢＮＣＴ」）、ガドリニウム中性子捕捉療法（gadolinium neutron capture therapy）（「Ｇｄ−ＮＣＴ」）などを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概要
一実施形態は、透過性電離放射線ビームモニタリングシステムであり、このシステムは、入射電離放射線ビームに対する入口ウィンドウおよび出口ウィンドウを含む筐体構造を備え、入口ウィンドウおよび出口ウィンドウは高透過性である。このシステムはさらに、直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり入射放射線ビームに対して透過性である、筐体構造内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、シンチレータに面し内部システム較正のための、筐体構造内の紫外線（「ＵＶ」）光源とを備える。実施形態はさらに、ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、筐体構造内のＵＶフォトセンサと、極めて近接するミラーを通してシンチレータを観察するレンズを含む、筐体構造内のマシンビジョンカメラとを備え、これは、シンチレータの側部に位置する折り畳まれた光軸システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムの、時間（単位は時間（ｈ））の関数としての放射線ダメージ回復プロットの図である。
【図２】実施形態に係る、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムの、時間の関数としての平均画素信号減少プロットの図である。
【図３】実施形態に係る、さまざまな厚さを有するＢｏＰＥＮフィルムの、時間の関数としての空気中での蛍光損失および回復プロットの図である。
【図４】実施形態に係る、Ｘ線光子ビームと陽子ビームとの拡大ブラッグピーク（「ＳＯＢＰ」）の一例を示す図である。
【図５】実施形態に係る、平均カメラ画素信号で記録された指数関数的蛍光減少を示すプロットの図である。
【図６Ａ】実施形態に係る、真空チャンバ内部における１０ｎＡ、３．０ＭｅＶの陽子ビームの２つの画像のうちの一方を示す図である。
【図６Ｂ】実施形態に係る、真空チャンバ内部における１０ｎＡ、３．０ＭｅＶの陽子ビームの２つの画像のうちの他方を示す図である。
【図７】実施形態に係る、作動距離３２６ｍｍで撮影した図６Ａのデジタル画像のカメラ視野の投影図である。
【図８Ａ】実施形態に係る、ロールシンチレータスプール構成を使用する光を通さない筐体内に２つのカメラとシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図８Ｂ】実施形態に係る、ロールシンチレータスプール構成を使用する光を通さない筐体内に２つのカメラとシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図８Ｃ】実施形態に係る、ロールシンチレータスプール構成を使用する光を通さない筐体内に２つのカメラとシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図９Ａ】実施形態に係る、２つのカメラとシングルシンチレータロールフィルムビームモニタとを含みシンチレータスプールシステムが６方向クロス真空チャンバ内で線形平行移動するシステムを示す図である。
【図９Ｂ】実施形態に係る、２つのカメラとシングルシンチレータロールフィルムビームモニタとを含みシンチレータスプールシステムが６方向クロス真空チャンバ内で線形平行移動するシステムを示す図である。
【図９Ｃ】実施形態に係る、２つのカメラとシングルシンチレータロールフィルムビームモニタとを含みシンチレータスプールシステムが６方向クロス真空チャンバ内で線形平行移動するシステムを示す図である。
【図９Ｄ】実施形態に係る、２つのカメラとシングルシンチレータロールフィルムビームモニタとを含みシンチレータスプールシステムが６方向クロス真空チャンバ内で線形平行移動するシステムを示す図である。
【図１０Ａ】実施形態に係る、より小型の６方向クロス真空チャンバ内にロールフィルムシンチレータビームモニタを含み線形平行移動機能を持たないシステムを示す図である。
【図１０Ｂ】実施形態に係る、より小型の６方向クロス真空チャンバ内にロールフィルムシンチレータビームモニタを含み線形平行移動機能を持たないシステムを示す図である。
【図１０Ｃ】実施形態に係る、より小型の６方向クロス真空チャンバ内にロールフィルムシンチレータビームモニタを含み線形平行移動機能を持たないシステムを示す図である。
【図１１Ａ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にシングルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１１Ｂ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にシングルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１１Ｃ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にシングルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１１Ｄ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にシングルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１２Ａ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にダブルシンチレータフレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１２Ｂ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にダブルシンチレータフレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１２Ｃ】実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にダブルシンチレータフレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１３Ａ】実施形態に係る、６方向クロス・ロードロック・真空チャンバ内にダブルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１３Ｂ】実施形態に係る、６方向クロス・ロードロック・真空チャンバ内にダブルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１３Ｃ】実施形態に係る、６方向クロス・ロードロック・真空チャンバ内にダブルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１４Ａ】実施形態に係る、細く光を通さない筐体内に２つのカメラと２つのミラーとフルサイズのシングルシンチレータ／ウィンドウモジュールビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１４Ｂ】実施形態に係る、細く光を通さない筐体内に２つのカメラと２つのミラーとフルサイズのシングルシンチレータ／ウィンドウモジュールビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１４Ｃ】実施形態に係る、細く光を通さない筐体内に２つのカメラと２つのミラーとフルサイズのシングルシンチレータ／ウィンドウモジュールビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１４Ｄ】実施形態に係る、細く光を通さない筐体内に２つのカメラと２つのミラーとフルサイズのシングルシンチレータ／ウィンドウモジュールビームモニタを含むシステムを示す図である。
【図１５Ａ】実施形態に係る、１つのカメラと１つのミラーとハーフサイズの矩形シングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１５Ｂ】実施形態に係る、１つのカメラと１つのミラーとハーフサイズの矩形シングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１５Ｃ】実施形態に係る、１つのカメラと１つのミラーとハーフサイズの矩形シングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１６Ａ】実施形態に係る、図１５Ａ〜図１５Ｃに示される実施形態の３カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図１６Ｂ】実施形態に係る、図１５Ａ〜図１５Ｃに示される実施形態の３カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図１６Ｃ】実施形態に係る、図１５Ａ〜図１５Ｃに示される実施形態の３カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図１７Ａ】実施形態に係る、フルサイズのシングルシンチレータ−フレームビームモニタの、図１４Ａ〜図１４Ｄに示される実施形態の４カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図１７Ｂ】実施形態に係る、フルサイズのシングルシンチレータ−フレームビームモニタの、図１４Ａ〜図１４Ｄに示される実施形態の４カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図１８Ａ】実施形態に係る、光を通さない細い筐体内に４つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１８Ｂ】実施形態に係る、光を通さない細い筐体内に４つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１９Ａ】実施形態に係る、光を通さない細い筐体内に８つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図１９Ｂ】実施形態に係る、光を通さない細い筐体内に８つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図２０Ａ】実施形態に係る、４つのカメラと、ロールシンチレータスプール構成を使用するシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図２０Ｂ】実施形態に係る、４つのカメラと、ロールシンチレータスプール構成を使用するシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図２０Ｃ】実施形態に係る、４つのカメラと、ロールシンチレータスプール構成を使用するシングルシンチレータビームモニタとを含むシステムを示す図である。
【図２１Ａ】実施形態に係る、光を通さない箱型筐体内の、２つのカメラとカメラなしのフルサイズの１つのシンチレータ−フレームビームモニタとを示す図である。
【図２１Ｂ】実施形態に係る、光を通さない箱型筐体内の、２つのカメラとカメラなしのフルサイズの１つのシンチレータ−フレームビームモニタとを示す図である。
【図２２Ａ】実施形態に係る、図２１Ａ〜図２１Ｂの４カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図２２Ｂ】実施形態に係る、図２１Ａ〜図２１Ｂの４カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図２２Ｃ】実施形態に係る、図２１Ａ〜図２１Ｂの４カメラバージョンを含むシステムを示す図である。
【図２３Ａ】実施形態に係る、真空チャンバウィンドウを通した１０μｍ露光カメラ画像を示す図である。
【図２３Ｂ】実施形態に係る、真空チャンバウィンドウを通した１０μｍ露光カメラ画像を示す図である。
【図２４】実施形態に係る、４０ｍｍ／ｍｓでラスタージグザグパターンで前後に移動させたときの直径およそ２ｍｍの陽子ビームで超薄型１２．２μｍＢｏＰＥＮフィルムを照射した１ｍｓ露光撮影画像を示す図である。
【図２５】実施形態に係る、空気循環のための４プレート光バッフルを示す図である。
【図２６】実施形態に係る、傾斜角度４５°で撮影した２×２インチの直線画像の写真を示す図である。
【図２７Ａ】真空チャンバの実施形態に係る、入口から出口までの総ビーム長が５．９インチ以下になるように修正された、直径６インチのＣＦフランジを有する６方向クロスの低減／短縮された外径４インチの管の開放された中央構造を示す図である。
【図２７Ｂ】真空チャンバの実施形態に係る、入口から出口までの総ビーム長が５．９インチ以下になるように修正された、直径６インチのＣＦフランジを有する６方向クロスの低減／短縮された外径４インチの管の開放された中央構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
実施形態は、概して、主として外照射治療（「ＥＢＲＴ」）に基づいたまたはこれに関連する用途のための、超高速透過（ultra-fast transmissive）（「ＵＦＴ」）二次元（「２Ｄ」）高分解能電離粒子および光子ビームモニタを対象としており、ビームの位置および移動、後縁を含む強度プロファイル、ビームフルエンス／外部線量測定（external dosimetry）、角度の相違ならびに患者治療品質保証を、「リアルタイム」でモニタリングすることを含む。
【０００９】
本開示の実施形態において、「超高速」という用語は、電離放射線ビームのストリーミング画像の「リアルタイム」のオンラインモニタリングおよびデータ分析を、毎秒約１００フレーム（「ｆｐｓ」（frames per second））以上のデータ分析レートに相当する、１画像あたり約１０ｍｓ以内で行うことを意味する。いくつかの実施形態において、ストリーミング画像は１，０００〜１０，０００ｆｐｓ（すなわち１ｍｓ〜０．１ｍｓ）というレートで入力されている可能性があり、データ分析は同時に行われる。さらに、「透過性」および「高透過性」という用語は、所定の材料またはシステムを通過する際に粒子または光子が失うエネルギーが相対的に少量であることを説明するために使用される形容詞であり、これは、入射ウィンドウと出射ウィンドウとシンチレータと入射ウィンドウおよび出射ウィンドウ間の空気のカラムとを含む統合ビームモニタシステムと比較されるシンチレータ材料自体と比較される入射または出射ウィンドウによって異なるであろう。どの所定のシステムでも、エネルギー損失の相対量は、何桁にもわたって変化し得る入射粒子または光子エネルギーが異なれば、また、中性子、陽子、炭素イオンなど、粒子の種類が異なれば、大きく変わるであろう。入射エネルギー２１０ＭｅＶの陽子ビームを用いる陽子線治療のようなＥＢＲＴ用途の場合、「高透過性」という用語は、ＵＦＴビームモニタシステムを通過する際に失われる入射エネルギーが約０．１％以下であることを意味する（すなわち損失が０．２ＭｅＶ以下）。しかしながら、全く同一のシステムにおいて８０ＭｅＶの場合、「高透過性」は、損失が０．５％以下（すなわち損失が０．４ＭｅＶ以下）であることを意味する。この例において、同一エネルギーの場合、「透過性」という用語は、２１０ＭｅＶで、ＵＦＴビームモニタシステムを通過する際に入射エネルギーの約０．２％以下（すなわち０．４ＭｅＶ以下）が失われ、同一システムにおいて８０ＭｅＶの場合、「透過性」という用語は、失われるのが１％以下（すなわち０．８ＭｅＶ以下）であることを意味するであろう。
【００１０】
実施形態に係るビームモニタは、薄型および超薄型のシンチレータ材料（たとえばシンチレータシートまたはフィルム材料）を取り入れ、内部で頻繁に自己較正することにより、システムの不均一性を含むさまざまな要素を補償することができ、このシステムの不均一性は、カメラセンサ／画素レスポンス、光学系の歪み、放射線によるダメージを原因とするシンチレータ材料の低速劣化、モニタ筐体内での温度上昇を原因とする信号ドリフトなどを含む。実施形態において、「超薄型」という用語は、厚さ０．０５ｍｍ以下のウィンドウ材料およびシンチレータ材料双方（すなわち入射ウィンドウおよび／または出射ウィンドウ）を意味し、「薄型」という用語は、厚さ０．５ｍｍ以下のシンチレータ材料を意味し、したがって超薄型シンチレータも含む。
【００１１】
実施形態に係る統合検出器／モニタは、用途仕様条件に応じて約０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲の固有２Ｄ位置分解能を有し、入射する電離粒子または光子ビームに対する透過性が高く、そのため、ビーム散乱が最小になり、低エネルギーから超低エネルギーまでのエネルギーストラグリング（energy straggling）となり、二次放射の発生が最小になる。実施形態は、ＥＢＲＴに加えて、科学実験、材料加工（たとえば高エネルギーイオン注入、食品および医療用滅菌、切削および溶接など）、材料分析、非破壊分析、放射性同位体生成などのための、リサーチ加速器が生成した、低光度のエキゾチック粒子ビームおよび／または高光度の粒子ビームのモニタリングに使用することができる。実施形態に係るビームモニタは、通常、適切な動作のために制御された大気または真空環境を必要としないが、いくつかの実施形態は、真空または制御された気体環境における動作用に設計されている。
【００１２】
ＥＢＲＴ用途のための実施形態は、通常、周囲空気雰囲気内において加速器出口ノズルの下流にビームモニタを配置する。しかしながら、その他の実施形態は、ビームラインパイプの真空環境内で動作することにより、ビームの形状、強度、位置およびビーム焦点を、ビーム出口／ノズルまたはターゲット領域に達する前に、最適化および／またはモニタリングするように構成されている。ノズルの下流のＥＢＲＴ用途のための実施形態は、固有の折り畳まれた光学構成を取り入れることにより、薄型プロファイルを実現して、ビームノズル出口と患者との間の限られた狭い空間への侵入を最小にする。
【００１３】
ビームモニタの実施形態には超高速レスポンス機能があるので、サブミリ秒およびさらにはマイクロ秒のビーム分析と送達システムへのフィードバックを行うことができ、それにより、必要であれば修正動作を行うことができる。ＥＢＲＴの場合、この機能は、場合によっては治療効果を改善することができるとともに、患者を、とりわけ最近の「ＦＬＡＳＨ」治療用途において保護することができる。核および高エネルギー物理学において、この機能は、５０〜１００μｓまたはそれよりも大きい範囲の粒子飛行時間（time-of-flight）（ＴＯＦ）情報を提供することができる。
【００１４】
電子光検出装置と結合された、プラスチックシンチレータを含むシンチレータを用いることにより、シンチレータから放出された光子を定量的に測定することができる。また、デジタルカメラを用いて、電子ビームのビーム形状および位置のモニタリングからシンチレータを照射するＸ線の使用にわたる範囲の用途において、照射されたシンチレータから放出された光を記録することにより、機械的溶接の品質を評価して、陽子ビーム治療に使用されるビーム送達システムを最適化することも、知られている。
【００１５】
周知の用途と異なり、実施形態は、極めて高い空間分解能等の重要な性能および省スペースという利点を提供する一方でＥＢＲＴ出口ノズルと患者の体との間に存在する限られた空間への侵入を最小にする、高度なビームモニタリングシステムのための、２、３、４、６、８、１０、１２のカメラ等のマルチカメラの折り畳み式光学構成を実現する。実施形態はまた、リアルタイムのデータ処理および分析のためのフレームグラバ（frame grabber）を含むコンピュータシステムに生で画像をストリーミングできる撮像センサを備えた比較的小型のマシンビジョンカメラの構成を含み、実施形態はまた、マシンビジョンカメラの使用を含む。マシンビジョンカメラは、用途固有のパラメータの最適化、たとえば、露光時間、グレースケールレベル（すなわちビット深度）の選択、取得制御およびフレームレート、利得制御、ブラックレベル制御、画素強度のガンマ補正、画素ビニング（pixel binning）、画素シャープニング（pixel sharpening）、対象エリアまたは領域におけるウィンドウ生成により、より高速のビーム分析のためにより高いフレームレートを実現する。実施形態はさらに、交換が容易なホイル−ウィンドウ／シンチレータモジュールパッケージの一部として統合できるシングルシンチレータ構成およびダブルシンチレータ構成の双方の使用を含み、また、新規のポリマー薄膜シンチレータ材料を使用する自動シンチレータフィルム推進／交換のためのロールシンチレータフィルム電動スプールアセンブリの使用を含む。新規のポリマー薄膜シンチレータ材料は、たとえば、二軸延伸ポリエチレンナフタレート（「ＢｏＰＥＮ」）、二軸延伸ポリエチレンテレフタラート（「ＢｏＰＥＴ」）、ポリエチレンスルホン（「ＰＥＳ」）などを含む。これらは、蛍光ドーパントの添加がない真性シンチレータである。実施形態は、放射線ダメージを受けたシンチレータフィルムまたはシートと、新たなシンチレータフィルムまたはシートとの交換を、シンチレータ交換プロセスに関連する大幅なサービスダウンタイムおよび再較正時間を伴うことなく迅速に行うための新規設計を含み、実施形態はまた、真空環境で動作するリアルタイムビームモニタリングシステムの構成、自然循環または制御されたフロースルー周囲空気または特殊気体環境たとえばエンリッチ酸素気体雰囲気のいずれかで動作することにより場合によっては酸素アシスト放射線ダメージ回復を高めることによって放射線ダメージを最小にする構成、カメラセンサ素子の性能の向上および放射線ダメージの低減のための能動冷却カメラセンサを取り入れた構成、内部ＵＶセンサたとえばＵＶ−ＬＥＤおよび内部ＵＶ検出器たとえばＵＶ光ダイオードと、適切なフィルタたとえばバンドパスフィルタとの追加を取り入れることにより、システム不均一性の内部自己較正と、進行性シンチレータ放射線ダメージのほぼ連続的な自己修正、光学系歪み、射影歪み（たとえばキーストーニング（keystoning））、収差、および、カメラ画像センサ画素の欠陥および不均一性を含む不均一性の、リアルタイムのソフトウェア補正を実現する構成を含む。実施形態は、２つのカメラ、もしくは２つの光電子増倍管（「ＰＭＴ」）、もしくは１つのカメラおよび１つのＰＭＴの使用を可能��する、または、シリコン光電子増倍管（「ＳｉＰＭ」）、アバランシェフォトダイオード（「ＡＰＤ」）、単一光子アバランシェダイオード（「ＳＰＡＤ」）などを含む、ソリッドステート光電子増倍管（「ＳＳＰＭ」）等のＰＭＴ交換を可能にする、ビームライン真空動作のための３方向Ｔ字またはＹ字型、４方向クロス、５方向クロスおよび６方向クロス真空チャンバ構成を利用する構成を含む。実施形態は、二次電離粒子および光子の生成を最小にした、極めて低いビームエネルギストラグリングを有する最薄シンチレータフィルムを用いる高ダイナミックレンジ（「ＨＤＲ」）計算撮像を含む。
【００１６】
実施形態の一部は、幅が約７０ｃｍ以上で厚さが約１μｍ〜２５０μｍの連続ロール（たとえば長さが１０００ｆｔよりも長い）の形で利用できるシンチレータフィルム材料を、その他の構成要素とともに用いて、薄膜および／または超薄膜シンチレータとして、耐放射線ダメージ、光子放出に関して予期せぬ効果を達成することにより、利点を獲得する。実施形態は、放射線ダメージに対する耐性が高い新たな薄型および超薄型シンチレータ材料を利用する一方で、シンチレータの不均一性ならびに時間のかかるシンチレータ材料交換およびシステム較正に関連するほとんどの問題を最小にし場合によっては排除することができる、設計を含む。
【００１７】
実施形態は、シンチレータおよびカメラのサイズならびにカメラの角度に応じて、製品プロファイル／厚さを約６〜１４ｃｍ以内に最小化する革新的な折り畳み型光学設計を含む。実施形態は、ＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶ−フォトダイオード、ならびにＵＶおよびＶＩＳバンドパスフィルタを使用し、システム較正の推定時間が約１分以下である、革新的な自動内部高速較正システムを含む。実施形態は、典型的には約１００ｆｐｓ〜４０，０００ｆｐｓのフレームレートで画像をストリーミングするマシンビジョンカメラを含む。
【００１８】
以下で説明する実施形態は、効率的な光子収集システムと、少なくともおよそ２００個の光電子を生成することができ、かつ、フライト時間（「ＴＯＦ」）実験には極めて重要な約１００ｐｓほどのタイミング分解能であって場合によっては５０ｐｓよりも良いタイミング分解能を達成することができる、適切なシンチレータおよび放射線源（たとえば、Ｎｅ＋１０のような原子番号がおよそ１０以上の高電離粒子）と結合された、高速で高利得の光電子増倍管（たとえば、１ｘ１０７に近い）を有するインラインビームモニタ設計（たとえば図１１〜図１３）を含む。
【００１９】
実施形態は、たとえば、１つのＰＭＴ（またはＳＳＰＭ）と１つのカメラではなく、６方向クロスの対向アームにおける２つのＰＭＴまたはＳＳＰＭの使用を通じて光子収集を増すことにより、または、シンチレータの背面に反射コーティングを設けてシンチレータの前面からの光子収集を改善することにより、または、シンチレータの前収集面を粗くして全内部反射を防止することにより、ＴＯＦ測定のタイミング分解能をさらに向上させる。
【００２０】
実施形態は、光画像射影／キーストーン歪み、レンズ歪み、ビネッティング（vignetting）、シンチレータ不均一性、カメラセンサ画素不均一性、欠陥画素および放射線ダメージ画素などを補正しつつ移動ビームのストリーミング画像をリアルタイムでコンパイル、統合、および分析することが可能なソフトウェアとＦＰＧＡフレームグラバとを備えたマルチカメラ構成（たとえば、２、３、４、６、８、１０、１２個等のカメラ）を含む。
【００２１】
実施形態は、必要に応じて新たなシンチレータフィルムを入射ビームアクティブエリア内に前進させるための手動またはモータ制御のプッシュプルリニアポジショナおよび／またはロータリードライブを含む。実施形態は、ビームライン真空を破壊することなくシンチレータフィルムを変更するロードロック真空チャンバ設計を含む。実施形態は、薄いフレームに接合された超薄型の遮光ビーム入射および出射ホイルおよび／またはポリマーウィンドウを含み、これは、シンチレータフィルムまたはシート材料に接合することによって単純なウィンドウ／シンチレータ交換可能モジュールパッケージを作ることもでき、このモジュールパッケージは、ビームモニタ前面および／または背面カバープレートのポケットに落下させ、システム筐体を開かずに１分以内で較正することができる。
【００２２】
実施形態は、２つの異なるインラインシンチレータに基づく設計を有し、そのうちの一方は、本質的に、すべての粒子と、中性子を除く高エネルギー光子／ガンマに敏感であり、他方は、中性子に敏感なものにするためにＢ１０、Ｌｉ６またはＧｄ等の高中性子断面同位体でドープされる。第１のシンチレータの画像／信号を第２のシンチレータの画像／信号からデジタル的に減算することにより、結果として得られる第２のシンチレータの画像／信号は、主に中性子ビームの画像／信号となり、高ガンマ弁別中性子検出システムにおいて望まれる低コストで高性能を達成することができる。
【００２３】
ほとんどの周知のＥＢＲＴ粒子加速器は、ペンシルビームスポットスキャンのために設計されているが、少数のシステムは、ペンシルビームラスタースキャンのために設計されている。以下で開示されるビームモニタの実施形態は、両方のタイプのペンシルビームスキャンシステムと互換性があり、ほとんどは出口ノズルの下流で動作するように構成されるが、いくつかの実施形態は、ビームライン送達システムの真空環境において、患者治療室内で、または、治療室およびスイッチハウスの前の加速器の近くにおいて、ノズルの上流で動作するように設計されている。ビームライン真空で動作するこのようなシステムの目的は、通常、ＥＢＲＴのために、または核および高エネルギー物理学のために、送達システムにおける２Ｄビームプロファイルの測定および最適化を含むビーム調整を容易にするための診断である。すべての場合において、シンチレータ材料は、ビームを測定する過程でビームを劣化させないように、ほとんど透明で、非常に小さな低エネルギーストラグリングを伴うように、極めて薄いフィルムでなければならない。そのような用途において、いくつかの実施形態におけるシンチレータフィルムは、１００μｍ未満の厚さ、場合によっては１μｍという薄いものでなければならない。
【００２４】
実施形態において、シンチレータフィルムＢｏＰＥＮは、１μｍまでの厚さで用いられ、いくつかの実施形態において、このフィルムは、以下で開示される６方向クロスの実施形態のうちのいくつかに示されるように、剛性フレームに物理的に装着される。
【００２５】
実験結果は、５９ｋＧｙのフィルム線量をもたらす低エネルギー陽子ビームによる５分間の照射のほぼ直後に測定された、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムからのシンチレータ蛍光の３３．０％の初期減少を示した。具体的には、図１は、実施形態に係る、５９ｋＧｙの総線量に対応する０．２０ｋＧｙ／ｓの陽子線量率で５分間照射された厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムの、時間（単位：時間（ｈ））の関数としての放射線ダメージ回復プロットである。左のプロットにおいて、相対光損失は、空気中で、照射のほぼ直後に測定され、一方、右のプロットにおいて、サンプルは、真空中でおよそ２１時間維持され、その後、取り出された後に、空気中で測定された。しかしながら、周囲空気雰囲気において１９時間後に左のプロットの蛍光発光は部分的に回復し、減少は約１９．７％と測定され、１日以内で約４０％の放射線ダメージ反転／回復を示した。図１に示されるように、回復の大部分は最初の数時間以内に生じたが、空気中の放射線ダメージ回復は、かなり低いレートではあるが、数日間、さらには数週間にわたって継続することが可能であった。
【００２６】
上記ＢｏＰＥＮフィルム（密度１．３６ｇ／ｃｃ）放射線ダメージ実験は、入射ビーム電流密度２．４ｎＡ／ｃｍ２で３００秒間連続的に照射した５．４ＭｅＶ陽子ビームを用いた。ＢｏＰＥＮフィルムを通過すると、各５．４ＭｅＶ陽子は約２．１４ＭｅＶを失う。上記ビーム電流および積算照射時間で、ＢｏＰＥＮシンチレータフィルムは、以下の計算の通り、５９ｋＧｙの累積放射線量（１Ｇｙ＝１Ｊ／ｋｇ）吸収となった。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
シンチレータ発光に対するその効果を通してビームを観察および測定することに基づく透過性粒子ビームモニタの場合、放射線ダメージの影響は、相対光損失（すなわち蛍光信号減少）によって測定されるシンチレータ収率の低下と同一であるとみなすことで、定量化することができる。明白な視覚的放射線ダメージに関して、今日まで照射された３０を超えるＢｏＰＥＮサンプルのいずれも、およそ６０ｋＧｙまでの線量レベルでは、予想外の結果であるシンチレータ変色または表面劣化の視覚的徴候を示さなかった。しかしながら、ＢｏＰＥＮフィルムは４００ｋＧｙで変色している（以下の考察および表１参照）。
【００２９】
異なる用途のための実験的使用における加速係数を推定する際、特に陽子ビーム治療を対象とする場合、平均的な従来の１日の患者治療法は、セッション当たりおよそ２Ｇｙを照射する。したがって、３００秒でＢｏＰＥＮシンチレータフィルムに５９，０００Ｇｙを照射した上記試験は、おそらく、およそ３０，０００人の患者を治療する際に生じる線量と等価である。言い換えると、５．４ＭｅＶの試験ビームにおける加速照射の１秒は、従来およそ１００人の患者（ＦＬＡＳＨ治療のより少ない数の患者）を治療する際にシンチレータが受ける放射線をほぼシミュレートする。別の見方をすると、典型的な陽子ビーム治療室が１日当たり約３０人の患者を治療できる場合、上記加速陽子ビーム試験の５分は、１室設備における従来の患者治療のおよそ１０００日に相当する。既製の市販のポリエステルフィルムにおいて表面劣化または変色の明白な視覚的徴候を伴わないこの程度の放射線ダメージ耐性は、そのような積極的な高速加速試験レジームの下では予期せぬ結果である。
【００３０】
図２は、実施形態に係る、４９０ｋＧｙの総線量に対応する、５３秒間プロトン線量率９．２ｋＧｙ／ｓで照射された厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムの、時間の関数としての平均画素信号減少のプロットである。時間スケールは、真空チャンバ内で照射されているＢｏＰＥＮフィルムの、２ｆｐｓで記録されたカメラ画像数で示される。この高い線量率でも、線形フィットと指数関数フィットとの間の差は比較的わずかであることがわかる。
【００３１】
今日までのＢｏＰＥＮシンチレータ試験の実験結果から、０．２ｋＧｙ／ｓという上記線量率における放射線ダメージは１０ｋＧｙ／ｓに近づく線量率まで照射に対して線形であると思われる（図２に示される通り）。線形性を仮定することにより、サンプル裏面で起こる放射線ダメージの増加に対し、前面入口表面と背面出口表面との間の平均値がサンプル中央バルク層から来る蛍光の妥当な推定値を提供すると仮定することで、補正を行うことができる。この補正を行う際、サンプル中心からのバルク蛍光値は、裏面からのバルク蛍光値よりも２２．２％大きくなる。したがって、測定された背面光損失値を、図１の測定された背面値に７７．８％を乗じて補正することによって、より正確なバルク蛍光値を得ることができる。この補正により、初期蛍光の３３．０％減少および１９時間後の蛍光の１９．７％減少を引き起こした５９ｋＧｙ線量照射は、それぞれ、初期蛍光の２６％減少（すなわち、０．７７８＊３３％）および１９時間後の１５．６％減少となる。
【００３２】
したがって、先に述べた図１に現れる測定放射線ダメージの値は、１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムについて２２．２％の誇張である。しかしながら、２５μｍ以下の厚さを有する超薄型ＢｏＰＥＮフィルムの場合、補正係数は、１％未満であり無視できるであろう。同様に、７０〜２２５ＭｅＶの範囲の入射陽子エネルギーを有する治療用粒子ビームでは、薄い１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムについても、前面層および背面層で受ける線量の間に有意な差異はなく、したがって、２８０ｎｍＵＶ−ＬＥＤ光源（ＢｏＰＥＮフィルムの背後に位置し、９９％が最初の０．１μｍの裏面層に吸収される）を使用して測定される表面蛍光信号は、バルク材料に対するこれらのエネルギーでの放射線ダメージを正確に表す。
【００３３】
図３は、実施形態に係る、５．４ＭｅＶの陽子ビームの照射後の、３．０μｍ〜１９１μｍの範囲のさまざまな厚さのＢｏＰＥＮフィルムの、時間の関数としての空気中での蛍光損失および回復のプロットである。
【００３４】
図１および図３からわかるように、一般的にすべてのＢｏＰＥＮフィルムについて、空気中の放射線ダメージ回復の大部分は最初の数時間以内に生じる。厚いシンチレータフィルムと薄いシンチレータフィルムに関して、上述の異なる放射線ダメージの影響は、図３に示される相対光損失の明らかな相違を説明している。たとえば、４０分後に測定した厚さ１２μｍのＢｏＰＥＮフィルムの最大７．３％の光損失を、４０分後にプロットした厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムの（背面からの）１７．５％の光損失（すなわち、０．６７時間での破線垂直線）と比較すると、２つの値は±１０％の不確実性の中で一致する（すなわち、７．３％対７．９％）。厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムについての計算は以下の通りである。
【００３５】
１９１μｍのフィルムにおける前面光損失に対する初期調整＝（１−０．４４４）＊（１７．５％）＝９．７％
ビーム電流密度の差に対する追加調整＝（１．１０／１．３５）＊（９．７％）＝７．９％
さらに、実験では、大幅に異なるビーム電流を使用し３週間以上開けて測定した２つの異なる１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮサンプルから、すばらしい一致があった。特に、図３における最初の１９．７％の光損失は、図１におけるより高いビーム電流密度（２．４／１．３５）に対して調整された場合、図１における３３．０％と比較して３５．０％の調整されたビーム損失値をもたらす。
【００３６】
フィルムを通過する際に失われたビームエネルギー、ならびにその蛍光プロファイルを介したビーム形状および強度の推定のためには、ＢｏＰＥＮフィルムの厚さおよび均一性を知る必要がある。フィルムの厚さおよび均一性を測定するための便利な非破壊方法は、スペクトル干渉によって生じる前面／背面反射率によるものである。この方法は、およそ１μｍ〜２５０μｍの全範囲にわたり、約±０．１μｍ以内の精度まで、フィルムの厚さを正確に測定することができる。図３のフィルムの場合、測定された厚さは、３．０、５．８、１２．２および１９１．０μｍであり、これは、およそ１０００〜１９００ｎｍの波長範囲にわたる近赤外線のスペクトル反射率で測定したものである。
【００３７】
上記データは、薄いＢｏＰＥＮシンチレータフィルムは、厚いフィルムと比較して、放射線ダメージ耐性が高いと思われることを示す（たとえば、図３における０．６７時間および２．４５時間双方における、３、６、１２および１９１μｍの厚さのＢｏＰＥＮフィルムの３００秒のプロットを参照されたい）。この結果は完全に予想外であり、驚くべきものであり、以前に予測されたものに対し、反直観的である。この予期せぬ結果を説明するものは、２．４５時間で厚さフィルムプロットと交差する細い破線の縦線によって示唆されるように空気中においてより薄いフィルムは放射線ダメージ回復が非常に早いことと、４〜５時間で線が切れており１９１μｍ厚のフィルムと比較して最も薄いフィルムでは放射線ダメージが実質的に完全に回復したように見えることとを含む。もう１つの説明は、放射線ダメージがフリーラジカル相互作用の確率にまたは多粒子フリーラジカルメカニズムに依存し、したがって、ｄＥ／ｄｘにより出口表面においてフリーラジカル密度がより高い厚いフィルムは、単一または複数のフリーラジカル近接相互作用の確率も高いことを、含む。その他の説明は、薄いフィルムほど、フィルム空気面へのフリーラジカル移動および拡散の速度が速くかつその確率が高く、図３の測定はすべて空気中であったため、より薄いフィルムは酸素透過および拡散の速度がより速いことと、一重項酸素の脱出とを含む。予期せぬ良いニュースは、ＢｏＰＥＮの場合、より薄いシンチレータフィルムはより厚いフィルムよりも放射線ダメージ耐性が高い（すなわち、放射線に強い）と思われることであるので、薄膜のより高い放射線ダメージ耐性を説明するための検証可能なメカニズムを提供できる必要はない。
【００３８】
実施形態において、より現実的な臨床陽子療法条件下でシンチレータ線量照射の上記推定値を精密にするために、追加の２０％シンチレータ線量により、患者の計画および較正アクティビティならびに毎週のマシンメンテナンスに対処することができる。この調整は、１日当たり６０Ｇｙのシンチレータ線量に対応する、１日当たり３０人の患者の一人当たり２Ｇｙでの上記推定値が、１日当たり約２０％から７２Ｇｙ、慎重に増加し得ることを意味する。したがって、上記計算した試験施設での５９ｋＧｙの加速照射は、従来の照射治療（すなわちＦＬＡＳＨではない）を仮定した、８１９日間の累積患者サービスと同等であろう。
【００３９】
陽子ビーム設備が１週当たり５日作動する場合、８１９日のサービスは１６４週に対応し、これは３．１年を超える連続サービスとなる。線形放射線ダメージモデル（たとえば図３に示される）を仮定すると、放射線ダメージ（すなわち１９時間後の蛍光損失）を原因とするシンチレータ効率の１５．６％の損失の、以前に修正された測定は、８．１９日ごとの０．１５６％の効率損失に対応する。しかしながら、放射線ダメージ回復は１９時間を超えても十分に継続するので、患者治療の８．１９日間にわたって、累積ダメージは確実に０．１５％未満となる。より具体的には、５日の患者治療週では、１患者あたりシンチレータに２Ｇｙの線量を仮定した１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムについて、蓄積された陽子放射線ダメージは１週当たり０．０９％以下の可能性がある。
【００４０】
図４は、実施形態に係る、Ｘ線光子ビームと陽子ビームとの拡大ブラッグピーク（Spread-Out Bragg Peak）（「ＳＯＢＰ」）の一例を示す。図４は、ＳＯＢＰにより、患者への２Ｇｙはシンチレータへの２Ｇｙと等しくはないので、上記推定値がシンチレータに対する放射線ダメージを誇張していることを示している。ＳＯＢＰは、腫瘍が２Ｇｙを受けた場合、陽子ビームエネルギーを決定する、腫瘍密度、厚さおよび位置等の要因に応じて、皮膚またはシンチレータに照射される放射線量は、典型的には、患者の腫瘍への線量の約５０％〜７５％の範囲内にあり、約１．０〜１．５Ｇｙであることを、意味する。したがって、上記推定のように、１週当たり０．０９％以下の累積ＢｏＰＥＮ放射線ダメージの代わりに、ＳＯＢＰの補正後において、１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮシンチレータは、１週当たりわずか約０．０４％〜０．０７％の放射線ダメージ損失を受けるはずである。この結果は、最も驚くべきことであり、１週間およびおそらくは１ヶ月単位で、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮシンチレータに対する放射線ダメージは、事実上無視できるものになり、より薄いＢｏＰＥＮシンチレータを使用できる場合はなおさらである。
【００４１】
図５は、実施形態に係る、１５，０００ｋＧｙの総線量に対応する、４６０ｋＧｙ／ｓのプロトン線量率で３３秒間照射された、１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムから測定された、平均カメラ画素信号で記録された指数関数的蛍光減少を示すプロットである。時間スケールは、真空チャンバ内で３．０ＭｅＶの陽子ビームが照射されているＢｏＰＥＮフィルムの、２ｆｐｓで記録されたカメラ画像数で示される。図５および以下の表１に示されるように、最大測定線量率において、放射線ダメージは照射に対して線形ではないが指数関数的である。このことは、これらの高い線量率（たとえば９０ｋＧｙ／ｓ以上）での推定値が、より長い期間にわたって積分されたより低い線量率で実際に生じるものよりも大きなシンチレータ放射線ダメージを投影する際に、誤解を招く可能性があることを、意味する。言い換えると、加速試験データが有意な指数関数成分を有する場合、実際のシンチレータ放射線耐性は、先に述べたものよりも良好であろう。
【００４２】
しかしながら、治療用粒子ビームおよび核物理学的粒子ビームモニタの両方の性能をモデリングするために選択された加速放射線線量率の範囲内で（すなわち表１に示される９ｋＧｙ／ｓ以下の線量率）、線形モデルに基づく投影はシンチレータ性能の良好な推定値を提供するはずであり、指数関数的挙動のいかなる補正も図２に示されるようにわずかであろう。たとえば、測定された線量率９．２ｋＧｙ／ｓにおいて、ＢｏＰＥＮフィルムの線形関係は、予期せぬ結果である、ちょうど５３秒で０．５ＭＧｙを照射する（表１に示される）ことに対応して、依然として妥当と思われる（図２参照）。しかしながら、９０ｋＧｙ／ｓ以上の線量率では、線形性からの逸脱が大きく、線形性を仮定した計算は誤りであり、定性という目的のためにのみ使用されねばならない。これらの非常に高い線量率では、低速から中程度のシンチレータアブレーションが瞬時に始まる（図５および表１参照）。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
図１および図３に示されるように、線量率０．２０ｋＧｙ／秒で５９ｋＧｙ（すなわち２．４ｎＡ／ｃｍ２の電流密度、５．４ＭｅＶの陽子ビームで３００秒）までの線量を受けたＢｏＰＥＮフィルムのいずれも、放射線ダメージによる蛍光の顕著な減少にもかかわらず、表面劣化または変色の如何なる徴候も示さなかった。図１および図３の双方が、測定可能な放射線ダメージ回復は照射のほぼ直後に空気中で始まり、この回復が数日または数週間後でさえも継続し得ることを、示している。しかしながら、図１に示されるように、真空環境ではこのような回復は大幅に減少するかまたは遅延する。
【００４５】
放射線ダメージにより生じる暗色化（すなわち黄色から褐色への変色）は、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムにおいて、１０ｎＡの電流で５．４ＭｅＶの陽子ビームを使用し、固定された非ラスター化ビームを０．２５ｃｍ２のエリア上に１１８秒間集束させて、観察された。結果として生じた４０ｎＡ／ｃｍ２の電流密度は、３．３ｋＧｙ／ｓの線量率をもたらし、３９０ｋＧｙの累積線量をもたらした。この線量率は、上で開示されている５９ｋＧｙ線量で照射されたサンプルが受ける線量率の１６倍であった。しかしながら、３９０ｋＧｙ線量フィルムを２ヶ月後に観察すると、暗色化／変色エリアは完全に消失し、見かけ上、視覚的にダメージを受けている少なくともいくつかのＢｏＰＥＮフィルムは視覚的に変色していない程度まで空気中で自己治癒／回復できることが発見された。
【００４６】
不可逆的な物理的ダメージ（たとえば陽子アブレーションによって膜が焼けて孔ができる）に関連する線量を評価するために、より安定した固定陽子ビーム加速器を、１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムに対して使用し、３．０ＭｅＶの減少プロトン運動エネルギーとし、アブレーションを受けた孔のエリアに対するビーム焦点をより絞って０．０２０ｃｍ２とし（すなわち、孔表面での直径は以下で開示されるように１．６ｍｍであった）、ビーム電流を１ｎＡで５３秒、１０ｎＡで６６秒、５０ｎＡで３３秒とした。各ビーム電流において、一連の画像を、３つのケースすべてについて、１ｍｓのシャッタ時間／露光、２ｆｐｓのフレームレートで記録した。
【００４７】
図６Ａ〜図６Ｂは、実施形態に係る、真空チャンバの内部の１９１μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムを照射する、直径およそ２．６８ｍｍの上記１０ｎＡ、３．０ＭｅＶの陽子ビームの２つの画像を示す。図６Ａは１ｍｓの露光で記録されたデジタル画像であり、画素画像分解能は３８．２ｐｍである。図６Ｂは図６Ａに対するガウスフィットであり、測定平均σ＝０．６１ｍｍであり、ビームの９７％が１．３４ｍｍの２．２σ半径内に入る。
【００４８】
上記実験のために記録された画像の数は、１ｎＡで８９画像（以下の開示を参照）、１０ｎＡで１３３画像、５０ｎＡで６７画像であり、図６Ａおよび６Ｂからわかるように、各写真について画素ごとに蛍光パターンおよび信号強度が記録され、１番目の画像はビーム電流１０ｎＡで撮影した。これら３つのビーム電流の完全な一組の写真は、真空を壊さずにまたはカメラを動かさずに、ビームの焦点を同じシンチレータスポットエリアに合わせたままで、各一組の画像の後にビーム電流を順次増加させる（すなわち１ｎＡから１０ｎＡ、５０ｎＡ）ことによって撮影した。したがって、５０ｎＡの最後の画像の後にＢｏＰＥＮフィルムを最終的に取り出したとき、部分的なアブレーションによる孔／クレーターは、互いに重ねられた３つのビーム電流線量の合計を表す。１ｎＡビームは、明白な物理的フィルムダメージを引き起こさなかったが、照射１秒当たり蛍光が０．６％減少した（すなわち傾き０．００３、図２参照）。
【００４９】
先に開示されたように、蛍光の減少は、図２の実線からわかるように、線形フィットに近い（画像が撮影されなかったときの２つの休止期間があったがビーム露光は継続）。しかしながら、図２の点線は、線形フィットに非常に近い指数曲線に対するベストフィットを表す。図２の線形フィットは、５０ｎＡ／ｃｍ２の電流密度、９．２ｋＧｙ／秒の線量率、および４９０ｋＧｙの累積線量に対応する。５．４ＭｅＶおよび４０ｎＡ／ｃｍ２の１０ｎＡ陽子ビームは、３９０ｋＧｙの照射線量で黄色変色／暗色化を引き起こしたので、５０ｎＡ／ｃｍ２ビーム（４９０ｋＧｙ）もＢｏＰＥＮフィルムの変色を引き起こした可能性が高いが、これは、その後このエリアがアブレーションを受けたされたため、見られなかった。
【００５０】
３ＭｅＶの１ｎＡ固定ビームとは対照的に、続く１０ｎＡ固定ビームは、その初期信号と比較して、最初の１秒の照射でその蛍光全体が１桁よりも大きい１８％減少したが、これは、即時表面アブレーションが原因に違いない。同様に、５０ｎＡの固定ビームは、図５からわかるように、その初期信号と比較して、その最初の１秒の照射でその蛍光全体が４３％減少した。ほんの３３秒でその深い孔ができたことを考えると、これは「高速」アブレーションとみなすことができる。
【００５１】
図７は、実施形態に係る、作動距離３２６ｍｍで撮影した図６Ａのデジタル画像のカメラ視野の投影図である。カメラは、ＦＬ５０ｍｍでｆ／１．４レンズを備えたＢａｓｌｅｒ  ａｃＡ７２０−５２０ｕｍであった。図６Ａに示されるように、画像は、リアルタイムで厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮシンチレータフィルムを照射する３．０ＭｅＶの陽子ビームのチャンバ窓を通して撮影され、カメラは真空チャンバの外部にあり、カメラレンズの前面からシンチレータフィルムまでの推定作動距離はおよそ３２６ｍｍであった（図７に示される通り）。
【００５２】
上で開示されているように、１０ｎＡのビーム電流で最初の１秒以内の照射（すなわち、２ｆｐｓ、著しいアブレーションの前）で撮影されたまさに「第１の」デジタル画像（シャッター速度１ｍｓ）が図６Ａにあり、孔の上面の０．０２０ｃｍ２の測定されたアブレーションエリアから、９２ｋＧｙ／秒の線量率に対応する５００ｎＡ／ｃｍ２の電流密度が発生した。図６Ａの画像についてフィットさせたビームプロファイルは図６Ｂにあり、計算されたσが０．６１ｍｍ、ＦＷＨＭがおよそ１．２２ｍｍであり、これは、面積５．６ｍｍ２、９７％の全帯域幅半径１．３４ｍｍ（すなわち、２．２σ）に対応する。平均蛍光信号の急速降下（すなわち照射１秒以内で１８％減少）の以前の実験データから、この線量率でアブレーションがビーム照射の直後に始まることが明らかである。しかしながら、ビーム照射６６秒にわたるリアルタイムのカメラ蛍光画像の経過から、アブレーションレートは５０ｎＡのビーム電流の場合と比較して比較的遅いと思われるであろう。
【００５３】
上で開示されているように、５．４ＭｅＶの入射陽子ビームは、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムを通過し３．２６ＭｅＶの残留エネルギーで出射するのに十分なエネルギーを有する。しかしながら、３．０ＭｅＶの陽子ビームは、厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルム内部の約１１９μｍまでしか到達しない。陽子ビーム電流密度が、アブレーションを引き起こしＢｏＰＥＮフィルムに「焼いて孔を開ける」ことを開始するのに十分である場合、アブレーションが進行するにつれてビームはさらにフィルム内に浸透し、最終的には、最初は減少したエネルギーで、次いで、孔が掘られまたは開けられるとほぼ全エネルギーで出射する。顕微鏡で調べると、５０ｎＡのビーム電流でも、アブレーションで生じた孔は、３３秒のビーム照射では厚さ１９１μｍのフィルム全体に及ばないことが、確認された。これは、先行する１０ｎＡでの６６秒のはるかに遅いアブレーションに続くものであった。
【００５４】
推定された合計ビーム浸透深さは、約１５０〜１６０μｍであり、およそ０．０２０ｃｍ２の最大表面アブレーションエリアを包含するが、孔の底における最も深い浸透深さのエリアにおける楕円の孔の短軸および長軸は、測定すると、約０．４×０．６ｍｍ（０．００２ｃｍ２）ではるかに小さかった。アブレーションにより生じた孔のエリアの表面寸法に基づくと、関連するビーム電流密度は、５０ｎＡで２５００ｎＡ／ｃｍ２であり、４６０ｋＧｙ／秒の線量率での１５ＭＧｙの累積線量に対応する（表１参照）。この線量率の場合、２ｆｐｓの各１ｍｓ写真／画像から導出された図５の「平均画素信号」から、ビーム照射の直後に（すなわち、０．５秒以内に）アブレーションが始まったことが明らかである。この結果は、２．４ｎＡ／ｃｍ２の電流密度で５．４ＭｅＶの陽子ビームの場合の以前の結果と比較することができ、この場合、バルク蛍光強度が２６％減少するのに３００秒を要したので、放射線ダメージはほぼ３桁遅く生じた。
【００５５】
５０ｎＡのビームによりアブレーションで生じた切除エリア／孔は、楕円形状であり、その測定された短軸および長軸はおよそ１．４ｍｍ×１．８ｍｍであり、これは、半径０．８０ｍｍ、面積２．０ｍｍ２の同等の円に対応する。しかしながら、図６Ｂに示されるように、図６Ａに対するガウスフィット分布は、９７％強度の全帯域幅に対応し、これは、ビーム半径が２．２σである。この、２．２σの半径に対応付けられる５．６ｍｍ２のより大きな蛍光発光エリアは、図６Ａに示される蛍光信号エリアの約９７％を包含し、アブレーションで切除された孔を超えて延在する。１．３４ｍｍの２．２σ半径に対応する、蛍光楕円の短軸および長軸の寸法は、２．３４ｍｍ×３．０２ｍｍであり、図６Ａの推定寸法に対応し、楕円エリアのカメラ画像はおよそ３８００画素を含む。図７から、各画素は、およそ３８．２μｍ×３８．２μｍの視野画像エリアに対応することがわかる。図６Ａの画像に使用されたＢａｓｌｅｒ  ａｃＡ７２０−５２０ｕｍカメラは、７２０×５４０画素のＣＭＯＳセンサを有する。また、５０ｍｍの焦点距離のレンズを使用した場合、レンズの前面からシンチレータまでの作動距離（working distance）（「ＷＤ」）は約３２６ｍｍであり、図７に示されるようにセンサ視野は２７ｍｍ×２１ｍｍである。
【００５６】
２５０ＭｅＶ陽子加速器の真空ビームラインパイプ内の最大ビーム電流および最小ビーム半径は、典型的には、ビーム半径約１ｍｍの超伝導サイクロトロンの場合、およそ８００ｎＡである。対応付けられるビーム電流密度はおよそ２５，０００ｎＡ／ｃｍ２である。このような条件下で厚さ２５〜５０μｍのＢｏＰＥＮフィルムシンチレータを用いると、線量率は１００〜２００ｋＧｙ／秒となる可能性があり、これは、ＢｏＰＥＮフィルムに顕著なアブレーションを引き起こし、１分程度以内に焼けて孔が生じる。優れた実施は、任意の１スポットにおけるフィルム放射線照射を１０秒以下に制限するよう指示するであろう。
【００５７】
上記線量率１００〜２００ｋＧｙ／秒の場合に対し、実施形態は５方向または６方向クロス真空チャンバを含み、このクロス真空チャンバは、ＢｏＰＥＮシンチレータが、必要なビーム画像を撮影するためにビームの中に移動後、数秒以内にビームから出ることを可能にするように設計されている。図６Ａの線量率９２ｋＧｙ／ｓでの陽子ビーム画像は、そのような画像がどのように見えるかの一例を提供する。図６ＡにおけるＢｏＰＥＮの厚さは、５方向または６方向クロスにおけるわずか２５〜５０μｍと比較して、１９１μｍであるが、カメラレンズは、クロス内のシンチレータに、図６Ａ、図６Ｂおよび図７の３２６ｍｍという距離よりも、はるかに近くなるようにすることができる。したがって、立体収集角は、より薄いＢｏＰＥＮフィルムから放出された光子のより大きな割合を収集するためにかなり大きく、加えて、図６Ａ、図６Ｂで使用されるものよりも、感光性が高いカメラを使用することができる。
【００５８】
上記表１に概要を示した厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムシンチレータに対する３．０ＭｅＶおよび５．４ＭｅＶでの低エネルギー陽子ビーム試験は、ビーム電流密度、吸収線量および線量率の臨界パラメータについて、およそ３桁にわたるマトリクスをカバーした。記載されている加速試験プログラムの結果は、電離粒子および光子ビームのリアルタイムのモニタリングのための多種多様なＵＦＴ（超高速透過）高分解能検出システムの実施形態につながる、開示された実施形態の広範な群から並外れた性能が実現されることを実証している。以下で説明する実施形態の対象用途は、陽子線治療だけでなく、その他すべての種類の粒子および光子ビーム外照射療法（「ＥＢＲＴ」）、ならびに核および高エネルギー物理学などで使用されるものを含む、工業用および研究用加速器のためのビームモニタを含む。
【００５９】
陽子線治療に関して、実施形態は、５．４ＭｅＶのビーム粒子エネルギー、２．４ｎＡ／ｃｍ２のビーム電流密度、および２００Ｇｙ／秒の照射線量率での５分間の試験が、ＢｏＰＥＮシンチレータに視覚的ダメージを与えないという、予期せぬ結果を示す。しかしながら、これは、１患者当たり２Ｇｙという従来の線量を想定しておよそ３０，０００人の患者を治療する、または、１患者当たり２０ＧｙというＦＬＡＳＨ線量で３，０００人の患者を治療する際に生じる線量とほぼ同等であろう。このように、ＢｏＰＥＮフィルムシンチレータへの放射線ダメージは、深刻な問題ではなく、以下で開示されるように容易に対処することができる。
【００６０】
１日当たり３０人の患者を見ている「典型的な」治療室施設において１週当たりの最大蓄積シンチレータ放射線ダメージが０．０４％〜０．０７％であるという先の推定を考慮すると、実施形態は、シンチレータフィルムの新しいエリアを、隔週ごと、１ヶ月ごと、または場合によっては３カ月ごとに、シンチレータの等角点まで進める必要がある。後者の期間は、およそ０．９％の最大推定蛍光損失に対応する。したがって、実際問題として、シンチレータの不均一性に対するの放射線ダメージの毎日のまたは週ごとの寄与を測定する必要性は、瑣末なこととして、無視される可能性が高いが、このことは重要なことを含意している。具体的には、実施形態における較正努力は、１患者当たり１日当たりの１％以上の統合システム精度を達成し維持するためにモニタリングされなければならない他のパラメータの測定および定量化にシフトすることができる。そうすると、１週間に発生する放射線ダメージの量がごく少量であることを考えると、シンチレータフィルムをスプールから繰り出す（たとえば、カメラ内で３５ｍｍフィルムをフレームごとに送ることと同様）か、またはフィルムが取り付けられたフレームを定期的に（たとえば毎週、隔週、毎月など）数センチメートル押すかのいずれかによって、シンチレータフィルムを送るという方策は、以下で開示されるさまざまな実施形態を通して実施することが可能である。
【００６１】
図８Ａ〜図８Ｃは、実施形態に係る、ロールシンチレータスプール構成を使用する光を通さない筐体内に２つのカメラ８４０とシングルシンチレータビームモニタとを含むシステム８００を示す。図８Ａは上部カバープレートを取り外した状態の斜視図であり、図８Ｂは平面図であり、図８ＣはＡ−Ａ断面図である。３つの図面すべてにおける点線の矢印は、供給ロールから巻取ロールへのフィルムの移動方向を示す。
【００６２】
システム８００は、２つのミラー８３０と、折り畳まれた光学構成とを含み、これは、シンチレータフィルム８６０を送るための機構を組み込みつつ、光を通さない筐体の深さ／厚さを最小にすることにより、シンチレータ放射線ダメージを補正する必要を最小にするまたはなくす。厚さ１２５〜２５０μｍのＢｏＰＥＮフィルム（すなわち５〜１０ミル）等の比較的厚いシンチレータフィルムが、小径（たとえば２．５インチ）の供給スプール８７０上に、光を通さない筐体内部に適合する外径（outer diameter）（「ＯＤ」）（たとえば約４インチ）まで、巻かれる。このフィルムは、任意の幅（たとえば２５〜４５ｃｍ）とすることができ、全長約２０〜２５メートルの１９１μｍＢｏＰＥＮシンチレータを含み得る。この実施形態において、フィルム８６０は、アクティブウィンドウエリア８１２を通って適切な巻取スプール８７２上まで引っ張られ、必要に応じて巻取スプールスピンドルを回転させるステッピングモータ８８０によって送られる。厚さ１５〜２５μｍの黒色アルミニウム箔等の超薄型の暗色の出口ウィンドウ８１４が図８Ｃに示されており、ＵＶ−ＬＥＤ光源８５０およびＵＶ−フォトダイオード８５２のうちの１つが図８Ａに示されており、２つのＵＶ−ＬＥＤ／ＵＶ−光電池の組み合わせ８５４が図８Ｂに示されている。
【００６３】
図９Ａ〜図９Ｄは、実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内に２つのカメラとシングルシンチレータロールフィルムモニタとを含みシンチレータスプールシステムが線形平行移動するシステム９００を示す。図９Ａは、正面から見た断面図であり、線形位置トランスレータ９５０によってビーム経路の中心にシンチレータフィルム９４０が配置され、ビーム画像分解能を高めるために上部アームおよび下部アームにカメラ９０２および９０４が置かれている。シンチレータフィルムは、小径の供給スプール９３０上に巻かれて保管され、ビーム軸通過エリア９７０（図９Ｂ）を通って適切な巻取スプール上まで引っ張られ、これは、必要に応じて巻取スプールスピンドルを回転させる内部（すなわち真空互換）ステッピングモータ９２０によって送られる。また、シンチレータ交換のためのシステム分離中にビームモニタ真空を破壊し次いで再確立するために使用される外部圧力ブリードおよび／または真空ライン（図示せず）に接続することができる径違いニップル９９０も示されている（以下の図９Ｃの説明参照）。図９Ｂは、同じ断面図であるが、シンチレータフィルム９４０が、その伸長位置９５２にある線形位置トランスレータによってビームライン経路領域９７０から出で鉛直方向上方に移動させられている。図９Ｃは、ビームモニタシステムを隔離するように閉じることができ、かつ、ビームライン真空を破壊することなくシンチレータロールのアクセスおよび交換を可能にするビーム入口および出口ゲートバルブ９１２および９１０を含む６つのアームすべてを示す、閉じられたシステムの斜視図である。図９Ｄは、図９Ｃの断面斜視図であり、両方のカメラシステム（図９Ａでも見ることができる）について、ビーム入射角および視角の両方に対して約４５°のシンチレータフィルム角度を示す。図９Ａ〜図９Ｄにおける６方向クロスは、各アームがその最も近い隣接アームに対して９０°の角度をなす、他の６方向クロスすべてと同様に示されていることに留意されたい。しかしながら、光子収集角度／効率を改善するために、一方または両方のカメラアームは、カメラレンズの光軸がシンチレータフィルム面に対して約９０°の角度になるように、シンチレータフィルムを収容する６方向クロスハウジングの本体に対して約４５°の角度で構成することができる。
【００６４】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、実施形態に係る、より小型の６方向クロス真空チャンバ内にロールフィルムシンチレータビームモニタを含み線形平行移動機能を持たないむシステム１０００を示す。図１０Ａは、正面からの断面図であり、上部アームにおけるカメラ１００４およびカメラレンズ１００６と、底部アームにおけるＰＭＴ１０６０とを示す。後者は、一組の集光レンズを介して光収集機能を強化する高速タイミング用途のためのものであり、周囲空気環境においてシンチレータフィルム１０４０の真下の真空チャンバ内に上部レンズ１０５０が位置し、ＰＭＴ１０６０の真上に下部レンズ１０５２が位置している。図９Ａと同様に、図１０Ａのシンチレータフィルム１０４０は、ビーム、カメラおよびＰＭＴに対して約４５°の角度である。図１０Ａは、カメラレンズ１００６の両側の２つのＵＶ−ＬＥＤ／ＵＶ−フォトダイオード組み合わせアセンブリ１０８０を示す。シンチレータフィルムは、小径供給スプール１０３０上に巻き付けられて保管され、必要に応じて巻取スプールスピンドルを回転させる外部ステッピングモータアセンブリ１０２０によって送られる適切な巻取スプール１０２４上にビーム軸通過領域を通って引っ張られる。図１０Ｂは、ビームライン真空を破壊することなくシンチレータロールを交換するために、システム真空を隔離しその後径違いニップル１０９０（図１０Ａ）を介して加圧することを可能にする、ビーム入口１００１および出口ゲートバルブを含む６つのアームすべてを示す斜視図である。図１０Ｃは、カメラレンズの両側の２つのＵＶ−ＬＥＤ１０８６および１０８８ならびに２つのＵＶ−フォトダイオード１０８２および１０８４を示す拡大断面図である。
【００６５】
図１１Ａ〜図１１Ｄは、実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にシングルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステム１１００を示す。図１１Ａは、左にプッシュ−プル線形ポジショナを、右に真空径違いニップルを有する６つのアームのうちの４つを前方から見た断面図である。図１１Ｂは、ビーム出口フランジに取り付けられたゲートバルブを含む閉じられたシステムの６つのアームすべてを示す斜視図である。図１１Ｃは、ビーム、カメラおよびＰＭＴに対して約４５°の角度で傾斜したシンチレータフレームを示す断面斜視図である。図１１Ｄは、チャンバ真空領域における第１の集光レンズを示すビームクロス中心の拡大断面図であり、第２の集光レンズは、周囲空気環境におけるＰＭＴの前のビューポートウィンドウの真下にある。また、カメラ用のビューポートＵＶウィンドウの真上の、レンズバレルの両側には、一対のＵＶ−ＬＥＤおよび関連するＵＶ−フォトダイオードがある。
【００６６】
図１２Ａ〜図１２Ｃは、実施形態に係る、６方向クロス真空チャンバ内にダブルシンチレータ−フレームビームモニタを含むシステム１２００を示す。図１２Ａは、６つのアームのうちの４つを前方から見た断面図であり、図１１Ａ〜図１１Ｄの片側のみと比較して、各側部に加えられた全ニップルおよびプッシュ−プル線形ポジショナがある。図１２Ａは、左側にある１つのシンチレータフレームを示し、第２のシンチレータフレームは、大部分が左側にあるがビーム中心を覆っている。図１２Ｂは、ビーム中心領域にシンチレータがない各ニップル内の１つのシンチレータフレームを示す断面図である。図１２Ｃは、閉じられた６方向クロス真空チャンバの斜視図である。システム１２００において、シンチレータフレームはビーム、カメラおよびＰＭＴに対して約４５°の角度である。
【００６７】
図１３Ａ〜図１３Ｃは、実施形態に従う、図１２Ａ〜図１２Ｃと同様の６方向クロス・ロードロック真空チャンバ内にダブルシンチレータ−フレームビームモニタを含むが２つのゲートバルブを追加したシステム１３００を示し、各ゲートバルブは、６方向クロス本体と、図１２の全ニップルと置き換えられた追加された径違いティーとの間に配置されている。追加されたゲートバルブは、この構造をロードロック真空チャンバに変換し、これは、システム真空を破壊することなくシンチレータ交換を可能にする。図１３Ａは、６つのアームのうちの４つを前方から見た断面図（図１２Ａと同様）である。図１３Ｂは、ビーム、カメラおよびＰＭＴに対して約４５°のシンチレータフレーム角度を示す断面斜視図である。図１３Ｃは、閉じられた６方向クロス・ロードロック真空チャンバの斜視図である。
【００６８】
図９〜図１３は、「既製の」６方向クロス構成に基づいており、この構成は、図９〜図１３に示されるような２つの鉛直管／アームに対応付けられる内側フランジが、各鉛直フランジをクロス本体に溶接するのに必要な最小長さまで縮小または短縮されるように、修正されたものである。この修正の目的は、カメラおよび／またはＰＭＴを、ビームライン軸／クロス中心にできるだけ近く配置することにより、光子収集効率を向上させることである。しかしながら、いくつかの用途では、入口から出口までのフランジからのクロス全長が最小になることがより重要であり、そのような場合、ビーム軸に沿った２つの水平管／アームが、各フランジをクロス本体に溶接するのに必要な最小スタブサイズに短縮される。たとえば、直径６インチのＣＦ−フランジを有するＯＤ４インチのチューブシステムに基づくビームモニタの場合、端から端までのフランジを含むビームモニタの全長は、６インチ未満に減じることができる。図２７Ａ〜図２７Ｂは、真空チャンバの実施形態に係るシステム２７００を示し、上記縮小／短縮されたＯＤ４インチの管の開かれた中央構造の側面図（図２７Ａ）と斜視図（図２７Ｂ）の両方を含み、直径６インチのＣＦフランジは、入口から出口までの総ビーム長が５．９インチ以下になるように修正されている。ビューポートウィンドウに接続され、続いてカメラおよびＰＭＴを収容する全ニップルに接続される、上部および下部の６インチＣＦフランジに接続される４インチの管も、実施形態に従って、これらの２つのフランジの端から端までの全長が７．９インチ以下となるように短縮される。実施形態に従うと、用途の要件に応じて、記載される優先事項は、図２７Ａ〜図２７Ｂに示されるＯＤ４インチの管の６方向クロスの実施形態が９０度回転される場合、カメラおよびＰＭＴビューポートウィンドウへの２つの６インチＣＦフランジの端から端までの長さが５．９インチ以下、入口から出口までの最小の総ビーム長が７．９インチ以下になるように、常に変更することができる。
【００６９】
図１４Ａ〜図１４Ｄは、実施形態に係る、光を通さない薄型の筐体内に、２つのカメラと２つのミラーとフルサイズのシングルシンチレータ／ウィンドウモジュールビームモニタとを含む、システム１４００を示す。一実施形態において、光を通さない「薄型」筐体は、５インチ以下の厚さである。しかしながら、患者サイズ要件、シンチレータ寸法、ならびに画像の空間および位置分解能仕様に応じて、厚さは、典型的には、約３インチ〜７インチの範囲にわたって変化し得る。図１４Ａは、「ドロップイン」ウィンドウ／シンチレータフレームモジュールの構成要素の斜視図である。図１４Ｂは、ウィンドウ／シンチレータフレームモジュールが如何にしてカバープレートポケットのうちの１つに落とされるかを示す。図１４Ｃは、上部カバープレートが取り外され主構造の上部に配置された、２つのカメラおよびシングルシンチレータビームモニタの筐体の斜視図である。図１４Ｄは、ドロップイン超薄型ウィンドウ１４２２およびウィンドウ／シンチレータ１４６０モジュールを備えた、光を通さない筐体の断面図であり、カメラ、ミラーおよびシンチレータの折り畳まれた光学設計と、右側のカメラ−レンズシステムの、最小のシンチレータ視野（すなわち点線の円錐の内部）とを示す。また、内部較正のためのＵＶ−ＬＥＤ光源およびＵＶ−フォトダイオードも図１４Ｃおよび図１４Ｄに示されている。
【００７０】
図１５Ａ〜図１５Ｃは、実施形態に係る、図１４Ｃ〜図１４Ｄに示される実施形態の光を通さない薄型筐体バージョンにおいて、１つのカメラと１つのミラーとハーフサイズの矩形シングルシンチレータビームモニタとを含むシステム１５００を示す。図１５Ａは、内部フレーム構造に基づいた、カメラ１５４０と、ミラー１５３０と、超薄型ウィンドウ１５２２と、ウィンドウ／シンチレータモジュール１５６０と、ＵＶ−ＬＥＤ光源１５５０と、ＵＶ−フォトダイオード１５５２と、ウィンドウカバープレート１５２０およびウィンドウ／シンチレータカバープレート１５７０を有する箱型構造とを示す、組立斜視図である。実際の筐体の形状および構造は異なり得るものであり、矩形である必要はない（たとえば円筒形であってもよい）。図１５Ｂは、記載された基本構成要素のすべてを示す、光を通さない筐体の断面図である。図１５Ｃは、封入されたシステムの斜視図である。
【００７１】
図１６Ａ〜図１６Ｃは、実施形態に係る、図１５Ａ〜図１５Ｃに示される実施形態の３カメラバージョンを含むシステム１６００を示す。追加の２つのサイドカメラは、単一の上部カメラと同一である必要はなく、感光度の改善、より速いフレームレート、および／またはより高い画素分解能のために選択することができる。図１６Ａは、内部フレーム構造に基づいた、３つのカメラ１６４０、１６４４および１６４６と、対応付けられたミラー１６３０、１６３４および１６３６と、超薄型ウィンドウ１６２２と、ウィンドウ／シンチレータモジュール１６６０とを示す、組立斜視図である。実際の筐体の形状および構造は異なり得るものであり、矩形である必要はない（たとえば円筒形であってもよい）。図１６Ｂは、記載された基本構成要素のすべてを示す、光を通さない筐体の断面図である。図１６Ｃは、封入されたシステムの斜視図である。
【００７２】
図１７Ａ〜図１７Ｂは、実施形態に係る、折り畳まれた光学部品を有するフルサイズのシングルシンチレータ−フレームビームモニタのための、図１４Ａ〜図１４Ｄに示される実施形態の４カメラバージョンを含むシステム１７００を示す。２つの追加のカメラは、各カメラの視野が１シンチレータ象限に適切に縮小されることを可能にし、その結果、感光度の改善、より速いフレームレート、および／またはより高い画素分解能のために、図１４とは異なるカメラまたは異なるレンズが選択される可能性が最も高い。図１７Ａは、内部フレーム構造に基づいた、４つのカメラ１７４０、１７４１、１７４２および１７４３と、対応付けられたミラー１７３０、１７３１、１７３２および１７３３と、超薄型ウィンドウ１７２２と、ＵＶ−ＬＥＤ光源１７５０および１７５１と、対応付けられたＵＶフォトダイオード１７５２および１７５３と、ウィンドウ／シンチレータモジュール１７６０とを示す、組立斜視図である。実際の筐体の形状および構造は異なり得るものであり、矩形である必要はない（たとえば円筒形であってもよい）。図１７Ｂは、記載された基本構成要素のすべてを示す、光を通さない筐体の断面図である。
【００７３】
図１８Ａ〜図１８Ｂは、実施形態に係る、光を通さない薄型筐体内に４つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステム１８００を示す。この実施形態は、図１４Ａ〜図１４Ｄに示される形態のダブルシンチレータバージョンであり、２つの「ドロップイン」ウィンドウ／シンチレータフレームモジュールのための前面カバープレートポケット設計および背面カバープレートポケット設計の両方を組み込んでいる。図１８Ａは、４つのカメラ１８４０、１８４２、１８４４および１８４６を示す組立斜視図であり、それぞれに対応付けられたミラーは、カメラ１８４６に結合されたミラー１８３６を含み、２つのウィンドウ／シンチレータモジュール１８６０および１８６２に向けられている。カメラ１８４０および１８４２は、それぞれのミラーを通して、下部シンチレータ／ウィンドウモジュール１８６０に向けられており、カメラ１８４４および１８４６は、それぞれのミラーを通して、上部シンチレータ／ウィンドウモジュール１８６２に向けられている。図１８Ｂは、光を通さない筐体の断面図であり、図１８Ａと同様に、各シンチレータに向けられたそれぞれの折り畳まれた光学ミラーとともに２つのカメラを示す。
【００７４】
図１９Ａ〜図１９Ｂは、実施形態に係る、光を通さない薄型筐体内に８つのカメラとフルサイズのダブルウィンドウ／シンチレータモジュールビームモニタとを含むシステム１９００を示す。図１９Ａは、図１８Ａと同様であるが、カメラの数が、図１４Ａ〜図１４Ｄとの対比における図１７Ａ〜図１７Ｂと同様に、２倍にされている。カメラ１９４０、１９４１、１９４２および１９４３は、それぞれの折り畳まれた光学ミラーを通して、各々が、シンチレータ／ウィンドウモジュール１９６０の１象限に向けられている。同様に、カメラ１９４４、１９４５、１９４６および１９４７は、それぞれの折り畳まれた光学ミラーを通して、各々が、シンチレータ／ウィンドウモジュール１９６２の１象限に向けられている。ミラー１９３０および１９３１は、たとえばカメラ１９４０および１９４１に結合される。図１９Ｂは、光を通さない筐体の断面図であり、図１９Ａと同様に、４つのカメラを示し、それぞれの折り畳まれた光学ミラーが各シンチレータに向けられている。
【００７５】
図２０Ａ〜図２０Ｃは、実施形態に係る、ロールシンチレータスプール構成を用いる４つのカメラとシングルシンチレータビームモニタとを含むシステム２０００を示し、図８Ａ〜図８Ｃに示される２カメラバージョンに類似している。図２０Ａは斜視図、図２０Ｂは平面図、図２０ＣはＡ−Ａ断面図である。図２０Ａおよび図２０Ｂは、カメラ２０４０、２０１４、２０４２および２０４３と、２０３０および２０３１等のそれらに対応付けられた折り畳まれたミラーとを示す。図２０Ａ〜図２０Ｃの点線矢印は、供給ロール２０７０から巻取ロール２０７２へのフィルムの移動方向を示す。この実施形態において、フィルム２０６０は、アクティブウィンドウエリア２０１２を通って適切な巻取スプール２０７２上に引っ張られ、必要に応じて巻取スプールスピンドルを回転させるステッピングモータ２０８０によって送られる。厚さ１５μｍ〜２５μｍの黒色アルミニウム箔等の超薄型の暗色または黒色出口ウィンドウ２０１４が図２０Ｃに示され、２つのＵＶ−ＬＥＤ光源２０５０および２０５１ならびにＵＶ−フォトダイオード２０５２および２０５３が図２０Ａに示される。
【００７６】
図２１Ａ〜図２１Ｂは、実施形態に係る、光を通さない箱型筐体の中の２つのカメラ２１４０とフルサイズのシングルシンチレータ−フレームビームモニタとのシステム２１００の斜視図（図２１Ａ）および断面図（図２１Ｂ）を示し、これは、図１４Ｃ〜図１４Ｄに示されるものと幾分似ているものの、より小型のカメラ（たとえば約１インチ×１インチ×１インチ）を使用し、カメラごとにミラーがある折り畳まれた光学システム構成は採用していない。よって、各カメラは、下部シンチレータプレート２１３０に直接向けられ、その結果、箱型筐体全体が、図１４Ｃ〜図１４Ｄに示されるものよりも約５ｃｍ厚くなる。上部カバープレートおよびウィンドウ２１１０を取り外し、場合によってはサイドパネルさえも取り外すことにより、２つのカメラを、出口ノズルもしくはコリメータのすぐ背後（すなわち上流側）に挿入することができ、または、これに代えてノズルもしくはコリメータの背後に跨ると説明することができ、したがって、ノズルまたはコリメータ筐体内に直接的に一体化され、シンチレータ／ウィンドウ２１３０モジュールが、ビームがノズルまたはコリメータから出る場所の前（すなわち下流）に位置する出口カバープレート２１２０のポケットに挿入される。図２１Ａ〜図２１Ｂも、他のビームモニタの実施形態すべてに見られる１つまたは２つ以上のＵＶ−ＬＥＤおよびＵＶ−フォトダイオードを組み込んでいる。
【００７７】
図２２Ａ〜図２２Ｃは、実施形態に係る、図２１Ａ〜図２１Ｂの４カメラバージョンであるシステム２２００を示す。図２２Ａ〜図２２Ｂに示される、上部カバープレートおよびウィンドウを取り外し、場合によってはサイドパネルさえ取り外すことにより、４つのカメラ２２４０を、出口ノズルもしくはコリメータのすぐ背後（すなわち上流）に挿入することができ、または、これに代えてノズルもしくはコリメータの背後に跨ると説明することができ、したがって、ノズルまたはコリメータ筐体内に直接的に一体化され、シンチレータ／ウィンドウ２２３０モジュールが、ビームがノズルまたはコリメータから出る場所の前（すなわち下流）に位置する出口カバープレートのポケットに挿入される。図２２Ａ〜図２２Ｃも、他のビームモニタの実施形態すべてに見られる１つまたは２つ以上のＵＶ−ＬＥＤおよびＵＶ−フォトダイオードを組み込んでいる。
【００７８】
いくつかの実施形態で使用されるフィルムロールに関して、上で開示されている厚さおよび幅を有する、はるかに長いロールが、数十年間にわたり空中写真用に使用されており、モータドライブによって高速で送られる。たとえば、そのカラーエマルションおよびゲル裏張を含めたＫｏｄａｋ  Ａｅｒｉａｌ  Ｅｋｔａｃｏｌｏｒプリントフィルム（ＳＯ−１４９）は合計厚さが２１３μｍである。標準的な３５ｍｍ幅および７０ｍｍ幅の映画用フィルムは、典型的に、「通常」モーションの場合２４ｆｐｓで送られるが、スローモーションの場合はより高速で送られ、いくつかの７０ｍｍのＩＭＡＸフィルムは、４８ｆｐｓ（すなわち、２００メートル／分）送られていることに、留意されたい。たとえば、ＢｏＰＥＮフィルムを隔週で５ｃｍ送ることにより、最も放射線ダメージを受け易いシンチレータ中心エリア（すなわち、等角点領域）を途中で側方にシフトさせた場合、先に述べた２０〜２５メートルのフィルム長さは、約１６年間持続できる。同じＢｏＰＥＮフィルムを隔週で１０ｃｍまたは２０ｃｍ送った場合、シングルロールは、交換が必要になるまで、８年または４年間持続する。
【００７９】
空中写真用フィルムは、かつて、３５ｍｍ、７０ｍｍ、１２６ｍｍおよび２４０ｍｍという４つの標準幅で作製された。これらの幅は、端から端までの寸法であり、両側のスプロケットを含み、したがって、たとえば、７０ｍｍフィルムの最大画像幅は、約５８ｍｍであり、２４０ｍｍフィルムの最大画像幅は、２２８ｍｍである。作製されたＫｏｄａｋの空中写真用フィルムＥｓｔａｒ「超薄型」ベースは、３０μｍ（すなわち０．００１２インチ）であったが、それでもなおスプロケット孔を保持するのに十分な強度を有しており裂けなかった。しかしながら、標準的なＫｏｄａｋ  Ｅｓｔａｒ超薄型ベースは３８μｍ（すなわち０．００１５インチ）であり、標準的なＫｏｄａｋ  Ｅｓｔａｒ厚型ベースは１７８μｍ（すなわち０．００７０インチ）であった。厚型のＥｓｔａｒベースの場合、フィルムロール長さは、１００〜８００フィートであったが、他のより薄いＥｓｔａｒベースフィルムの場合、最大２０００フィートのフィルムロール長さが標準であった。標準的な長さ３０メートルのフィルムロールにおける標準的な２４０ｍｍ幅のＥｓｔａｒベースに関するＫｏｄａｋによる詳細な厚さの研究によると、「実質的にロール全長にわたる厚さのばらつきは標準偏差が１．８５μｍ未満であった」。しかしながら、２３ｃｍ×２３ｃｍの空中写真フォーマットの写真エリア（すなわち９インチ×９インチ）内で、標準厚さ偏差は１．０μｍであった。Ｋｏｄａｋの７０ｍｍ幅のフィルムの場合、スプールコア直径は、Ｅｓｔａｒ薄型ベース（６４μｍ）については最大２００フィート、標準Ｅｓｔａｒベース（１０２μｍ）については１５０フィート、Ｅｓｔａｒ厚型ベース（すなわち、エマルションなしで１７８μｍ、Ｂ／Ｗエマルションでは１８４μｍ厚、最も厚いカラーフィルムでは２１３μｍ）については１００フィートのフィルムロール長さに対し、３１／３２インチであった。７０ｍｍ幅のフィルムのより長いロール、ならびに１２６ｍｍ幅および２４０ｍｍ幅のフィルムロールのすべての長さについて、２．１２５インチのスプールコア直径を、すべてのＥｓｔａｒフィルムベース厚さに使用した。したがって、上で開示されている、提案された２．５インチというスプールコア直径、および２０〜２５メートルというフィルム長さは、空中写真用フィルムに使用される標準仕様を考慮すると、控え目であり、アクティブエリアにわたるフィルム厚さ均一性についても同様である。
【００８０】
マルチアームクロスのロールフィルムの実施形態の場合、特に、Ｋｏｄａｋが使用するＥｓｔａｒベースフィルム（すなわちＢｏＰＥＴ）よりもＢｏＰＥＮフィルムの方が強いことを考慮すると、２５μｍ厚のＢｏＰＥＮは理想的であるはずであり、高速送りの写真フィルムシステムにおいて裂ける可能性があるスプロケットフィルム孔は、本明細書に記載の送りがはるかに遅いロール・ツー・ロール（roll-to-roll）の実施形態には不要である。加えて、１２μｍ厚のＢｏＰＥＮも、図９および図１０に示される高透過性ビームライン真空クロスモニタ等のロール・ツー・ロールシンチレータフィルム設計において、場合によっては実現可能な厚さである。そのような超薄型フィルムロールの機械的な実現可能性に関して、１２μｍ厚のリニア低密度ポリエチレン（linear low-density polyethylene）（「ＬＬＤＰＥ」）（すなわち４７ゲージ厚のポリエチレンハイブリッドフィルムとして販売されている）が、長さ１５００フィートの１８インチ幅のロールの３インチのコア上で利用可能であり、さらに薄い７μｍのＬＬＤＰＥフィルムが、長さ１５００フィートのロールの３インチのコア上でも２８ゲージフィルムとして利用可能であることに、留意されたい。フィルム強度に関して、ＢｏＰＥＮは、ＬＬＤＰＥよりもはるかに強く、引張強度が少なくとも３倍である。よって、ＢｏＰＥＮロール／コイルは、厚さ１．３μｍまでの超薄型フィルムで、１２インチおよびより広いサイズのロールにおいて利用することができ、厚さ１２μｍのＢｏＰＥＮフィルムは、長さ９８００フィートの４０インチ幅のロールにおいて利用することができる。
【００８１】
ロール・ツー・ロールフィルム送りシステムを必要としない実施形態について、広範囲のフィルムおよびシート厚（たとえば約１μｍから１ｍｍ以下）の、光子および中性子を含むさまざまな電離粒子およびエネルギーに対して最適化された、異なるシンチレータ材料の迅速な交換のために、より簡単でありながら用途がより広い多様な透過性ビームモニタの実施形態が設計されてきた。ビームライン用途のために設計されたモニタについて、シングルフレームおよびダブルフレームの両方のマルチアームクロス構造が開示され、シンチレータは、以下の図１１Ａ〜図１１Ｄ、図１２Ａ〜図１２Ｃ、および図１３Ａ〜図１３Ｃの、３つの異なる６方向クロスの実施形態について示されるように、プッシュ−プル機構と接触する剛性フレームに取り付けられる。１つのカメラだけが必要とされＰＭＴがない場合、より低コストの５方向クロスを採用することができ、フレームおよびアーム（またはニップル）の長さに応じて、シンチレータ全体をビーム経路から引き出すことができ、ビームモニタリングが必要なとき（たとえば図１２Ｂに示される）だけ、ビーム経路内に押し込むことができる。ロール・ツー・ロールシステムと比較して、シンチレータフィルムを剛性フレームに取り付けるもう１つの利点は、厚いシンチレータ（たとえば０．５ｍｍ以上）を小径スプール上に巻くことができない点である。一方、わずか数ミクロンの最も薄いシンチレータフィルムは、図１０Ａのように、供給スプール１０３０から巻取スプール１０２４上に引っ張るときのダメージの危険を伴うことなくビーム軸通過領域を通して確実に送ることができない。開示されているように、厚さ３、６、１２および１９１μｍのＢｏＰＥＮフィルムは、放射線耐性および高速回復という予期せぬ特徴を有する（図３参照）。他の実施形態は、いくつかの異なる用途のために、１．３μｍのＢｏＰＥＮフィルムまたは２５０μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムを使用することができる。
【００８２】
関連する図／図面とともに本明細書に開示されているすべての実施形態は、内部較正およびビーム画像分析に必要な上述のシステム／ハードウェアを取り入れている。較正システムおよびその動作は、手動でまたは自動で（たとえば予めプログラムされたスケジュールで）開始することができ、内部ＵＶ−ＬＥＤ光源（１つまたは複数）を起動してシンチレータフィルムを短時間（たとえば数秒）照明し蛍光強度パターンの画像を捕捉してそれらを適切なコンピュータシステムで以前の画像と比較することによりシステム応答の何らかの変化を検出することに、基づいており、この変化は、放射線ダメージなどによって引き起こされる可能性があるシンチレータ蛍光またはカメラセンサにおける変化を含む。ＵＶ光源の安定度をモニタリングするために、各ＵＶ−ＬＥＤ自体を、フォトダイオード等の専用の近接ＵＶ−フォトセンサでモニタリングし、時間の経過に伴う光源強度の変化またはドリフトを補正する。一実施形態におけるコンピュータシステムは、命令を実行するプロセッサを有する専用の低レイテンシ高速ＰＣ（パーソナルコンピュータ）またはワークステーションなどである。他の実施形態において、コンピュータシステムは、カスタマイズされたＦＰＧＡベースのＰＣＢ（プリント回路基板）またはフレームグラバであるが、コンピュータに接続されたフレームグラバである可能性が高い。いくつかのシステムの場合、ＦＰＧＡは部分的にまたは完全にカメラに埋め込むことができる。コンピュータシステムはまた、内部較正チェックの実行に加えて、ビームがシンチレータを照射するときにビームの画像分析をリアルタイムで実行することにより、ビーム位置、ビーム形状、ビーム移動、後縁を含むビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定、ならびにビーム経路内に適切な距離だけ離した２つ以上のシンチレータを組み込んだビームモニタ構成の場合のビーム角度の相違を、２次元（「２Ｄ」）でモニタリングおよび分析するように、プログラムされる。加えて、すべての実施形態はシンチレータ面に対してある角度で配向された１つ以上のマシンビジョンカメラを取り入れているので、すべてのカメラ画像は、透視／傾斜歪み（すなわちキーストーニング）を引き起こしており、カメラレンズは、特にその作動距離が近いために、ある程度の光学歪みおよびビネッティングを示すことになり、カメラセンサ自体は、全く同じ応答の各画素に関して完全に一様になることはない。これらのシステムハードウェアに関連する不均一性のすべては、統合システムの較正と、ＵＶ光源照射シンチレータに対するシステム応答の反復画像を撮影しコンピュータシステムが必要に応じて較正を自動的に調整することとにより、補正することができる。
【００８３】
メンテナンスおよびダウンタイムを最小にし、設計をさらに最適化するために、実施形態では高速シンチレータ交換が必要である。これは、図１４〜図１９および図２１〜図２２に示されるすべての実施形態において、図１４Ａの１４６０のような薄型（たとえば２ｍｍ〜３ｍｍの厚さ）で交換可能な大型のウィンドウ／シンチレータフレームモジュールアセンブリの設計により、実現され、これは、前面および／または背面筐体カバープレート１４１４内の小さなポケット（約２〜３ｍｍの深さ）内に外部から容易にアクセスして落とすことができ、図１４Ｂに示されるように、薄い１〜２ｍｍの厚さの保持フレーム１４１０で外側から固定することができる。ウィンドウ／シンチレータモジュールアセンブリ１４６０は、１５μｍ〜２５μｍ厚の黒色アルミニウム箔等の超薄型ウィンドウ１４０２と、シンチレータフィルムまたはシート１４０６とからなり、どちらの構成部品も薄いフレーム１４０４の両側に装着または接着される。図１４Ａ〜図１４Ｄの設計を用いた超薄型ウィンドウ／シンチレータモジュールの交換に要する時間はわずか数分のはずである。使用するシンチレータ／ウィンドウモジュール１４６０が１つだけの場合、１４０２のような超薄型ウィンドウ自体を、底部シンチレータプレートを追加することなく、フレーム１４０４に接着する。シンチレータの構成部品なしのウィンドウモジュールそのものは、図１４Ｃ〜図１４Ｄに１４２２として示され、カバープレート１４２０のポケット内に嵌合され、図１４Ｃに示されるように保持フレーム（たとえば、図１４Ｂの１４１０）によって適所で保持される。図１４Ｃ〜図１４Ｄは、２カメラ、１シンチレータの構成に基づく１つのそのような実施形態を示し、両方のカメラ１４４０および１４４２が、それぞれの折り畳まれた光学ミラー１４３０および１４３２を介して、背面ウィンドウ／シンチレータモジュール１４６０内の背面シンチレータ１４０６に、間接的に向けられる。図１４Ｃ〜図１４Ｄには、ＵＶ−ＬＥＤ１４５０およびＵＶ−フォトダイオード１４５２も示されている。
【００８４】
実施形態は、所望のビーム空間／位置分解能と、ＥＢＲＴ用途のために典型的には約４０ｃｍ×４０ｃｍまで拡大可能な必要なシンチレータアクティブエリアサイズとに応じて、１つまたは２つのシンチレータと、１〜１２以上のカメラとを組み込んだ、光を通さない複数の異なる筐体ビームモニタを含む。一般的に、２０ｃｍ×２０ｃｍのシンチレータの場合、固有の２Ｄ位置分解能は、必要なＵＦＴビームモニタ仕様に応じて、約０．０３〜０．２ｍｍのオーダでなければならない。しかしながら、１、２、３、４、６、８、１０、１２またはそれ以上といった（図８および図１４〜図２２参照）、用いられるカメラの数と関係なく、複数のカメラ画像を綴じ合わせるのに必要なソフトウェアは、科学、工業、医療、消費者用途などのために市販されている。たとえば、複数のスマートフォンが、現在、Ｓａｍｓｕｎｇ  Ｇａｌａｘｙ  Ｓ１０およびＳ１０＋のような、最小の歪みで高品質の画像を綴じ合わせるために超広角から望遠までの全範囲をカバーできる３つのカメラを使用する、マルチカメラシステムを使用している。上で開示されているプラットフォームは、シンチレータ表面において水平方向および鉛直方向どちらにも移動している粒子ビームまたは光子ビームを追跡し分析するために、複数のマシンビジョンカメラからストリーミングされている複数の画像を綴じ合わせることと、同等のことを、実行することができる。そのようなストリーミング画像の場合、実施形態におけるソフトウェアは、大抵の場合、光学歪みおよび機器／システム不均一性に対する較正および補正を提供することができるマルチカメラフレームグラバベースのシステムに基づいたＦＰＧＡである。
【００８５】
画像／画素分解能、低感光度、画素ビット深さ（すなわちグレースケール）、露光時間（すなわちシャッタースピード）、フレームレート、およびシステムレイテンシを含む画像処理速度に関する、用途の要件に応じて、カメラ画像を、ライブでストリーミングし、カメラインターフェイスの選択を含むシステムハードウェア、ファームウェアおよびソフトウェアに応じて場合によっては１画像当たり２５〜１００ｐｓ（すなわち１０，０００〜４０，０００ｆｐｓ）という潜在的に速いレートで、リアルタイムで処理および分析することができる。たとえば、約３３μｓのタイミング分解能に対応する、３０，０００ｆｐｓ超で動作するマシンビジョンカメラは、上記マルチカメラの２０ｃｍ×２０ｃｍまたはさらには４０ｃｍ×４０ｃｍのシンチレータＥＢＲＴビームモニタのような実施形態に対し、１カメラ当たり＄５Ｋから＄８Ｋのコストでサブｍｍ画像分解能を提供することができ、これは単一単位量である。実施形態に係る大型の４０ｃｍ×４０ｃｍシンチレータビームモニタリングシステムは、４つ以上のカメラを使用し、所望であれば、２つの異なるタイプのカメラを用いて構成され、たとえば、シングルシンチレータで６カメラの構成においては、比較的安価な高画像分解能で低フレームレート（ｆｐｓ）の４つのカメラと、より高価な高ｆｐｓの２つのカメラとしてもよく、８カメラシステムでは、４つの低速カメラおよび４つの高速カメラ、または４つの低感度カメラおよび４つの高感度カメラなど、他の組み合わせも可能である。実際、低コストで高空間分解能で低感度で低ｆｐｓのカメラは、超高速で高感度で超コンパクトなＰＭＴ（たとえば、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３２ｍｍの寸法を有するＨａｍａｍａｔｓｕ  Ｈ１１９３４シリーズ）と並べて対にすることができ、カメラレンズは各ＰＭＴに結合され、したがって、カメラと同じシンチレータエリアを見ることができる。ＰＭＴは、超高速ｎｓおよびサブｎｓ応答能力（たとえば１０ｎｓは１００，０００，０００ｆｐｓに相当）によって低感光度および線量率情報を提供する。１，０００〜２，０００ｆｐｓまたはそれよりも遅いフレームレートを必要とする用途では、より小さいサイズのマシンビジョンカメラを＄１Ｋ以下で調達できる（下記参照）。
【００８６】
図２３Ａ〜図２３Ｂは、実施形態に係る、８０ｍｍ／ｍｓで移動して厚さ１９１μｍのＢｏＰＥＮシンチレータに１０ｐｓの露光で照射した直径約３．６ｍｍの陽子ビームの、真空チャンバウィンドウを通したカメラ画像を示す。使用するカメラは、ＦＬ２５ｍｍでｆ／１．４レンズを備えたＢａｓｌｅｒ  ｄａＡ１２８０−５４ｕｍであり、作動距離は約３５０ｍｍ、画素視野は４８μｍ×４８μｍである。図２３Ａは、カメラの全視野の画像を構成する。
【００８７】
図２３Ａ〜図２３Ｂにおいて、陽子ビームエネルギーは、１０ｎＡのビーム電流で５．４ＭｅＶであった。図２３Ｂは、図２３Ａのビームスポットエリアの背景をデジタルで取り除いた拡大切出画像であり、約６０×１００画素の不規則な形状の楕円エリアを覆う強度分布ならびにビーム形状および寸法を含む画素分解能の詳細を示す。８０ｍｍ／ｍｓの移動を原因とする１０μｓの照射中のビームの水平「スミア（smear）」は、わずか約０．８ｍｍまたは約２２％の延びである。
【００８８】
図２４は、実施形態に従う、図２３と同じカメラ／レンズを用いて撮影した１ｍｓ露光の画像を示すが、陽子ビームは、４０ｍｍ／ｍｓでラスター化ジグザグパターンで前後に移動しながら超薄型１２．２μｍＢｏＰＥＮフィルムを照射する直径約２ｍｍの陽子ビームである。図２３Ａ〜図２３Ｂと同様に、陽子ビームエネルギーは１０ｎＡのビーム電流で５．４ＭｅＶであるが、レンズ作動距離は約３９０ｍｍであり、これは、やや大きい５５μｍ×５５μｍの視野画素分解能に対応する。同様の画像が３．０μｍという薄さのＢｏＰＥＮフィルムで撮影されたが、近い将来は１．３μｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムを照射することを計画している。
【００８９】
一実施形態は、システムインターフェースとしてのユニバーサルシリアルバス（「ＵＳＢ」）、ハードウェアおよび処理ソフトウェアを使用し、これは、最大約１，０００〜２，０００ｆｐｓ（すなわち１．０ｍｓ〜０．５ｍｓ）のレートで画像を処理および分析することが可能である。より高い性能を求めて、実施形態は、高速ＦＰＧＡベースのフレームグラバハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアに対するインターフェースのためにいくつかのより高速のカメラインターフェイスを使用してストリーミング画像を一層速い速度で処理および分析し、これは、ＣｏａＸＰｒｅｓｓ２．０（ＣＰＸ−１２）、ＧｉｇＥ（１０ギガビットイーサネット（登録商標））、Ｃａｍｅｒａ  Ｌｉｎｋ  ＨＳなどを含む。
【００９０】
再び図１１Ａ〜図１１Ｄを参照して、シングルシンチレータ−フレームビームモニタの断面図と斜視図の双方が示されている。図１１Ａは、改良ＣＦ−フランジ６方向クロス真空チャンバ構成の６つのアームのうちの４つを示すが、任意のタイプのフランジシステム（たとえばＣｏｎＦｌａｔ、ＫＦ／ＱＦ、ＩＳＯ−Ｋ、ＩＳＯ−Ｆ、ＡＳＡ、Ｗｉｒｅ−Ｓｅａｌなど）を使用することができる。図１１Ａに示されていない２つのアームは、図面において、ビームが図１１Ｂに示されるクロス中心に入射する（１１０１）平面に対して垂直である。これらの２つのアームのうちのいずれかまたは双方は、真空隔離のために一方または双方のフランジに取り付けられた任意のゲートバルブを組み入れることができる。図１１Ｂは、出口アームフランジに取り付けられた１つのそのようなゲートバルブ１１１０を示す。電離ビームに対するシンチレータの積算照射が時間の経過とともに蓄積されると、放射線量も蓄積され、これは通常はビームパイプ中心またはその近くに集中する。したがって、シンチレータ放射線ダメージが顕著になった時点で、シンチレータ−フレームユニット１１４０を、図１１Ｄのそのトラック１１４５上で反対側（すなわち図１１Ａ〜図１１Ｄにおいて右側）に向かって適切な距離（たとえば約１ｃｍ以上）だけシャフト１１７２で突くまたは押すことにより、未露光または最小露光のシンチレータフィルムを中央ビーム経路領域に引き込む。この線形シフト／移動は、手動で、または空気圧で、または図１１Ａの左側に示される線形ポジショナ１１７０によって示されるようにステッピングモータによって達成することができる。
【００９１】
図１１Ａは、上部ニップル内のカメラ１１０４およびカメラレンズ１１０６を、ＵＶ−ＬＥＤ／ＵＶ−フォトダイオードアセンブリの組み合わせ１１８０および真空排気／空気脱気ライン（図示せず）への円錐状の径違いニップル１１９０とともに示す。図１１Ｄは、カメラレンズの両側に配置された２つの小型ＵＶ−ＬＥＤ１１８６およびＵＶ−フォトダイオード１１８２の拡大図を示す。下部ニップルにおけるＰＭＴ１１６０は、図１１Ｃにおいて最も明瞭に示されており、下部ニップル内のビューポイントウィンドウ１１５６の両側の２つの集光レンズ１１５０および１１５２は図１１Ｄにおいて最もよくわかる。図１１Ｄは、６方向クロス中心エリアの拡大図を示し、２つのビューポイントウィンドウ１１５５および１１５６、ＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶ−フォトダイオード、２つのシンチレータ−フレームトラック、および２つの集光レンズが最も見やすい。
【００９２】
本明細書に開示されるすべての実施形態は、少なくとも１つのＵＶ照明光源を、各ＵＶ光源の安定性をモニタリングするための少なくとも１つのＵＶフォトセンサとともに、含む。ＢｏＰＥＮシンチレータのために実施形態において使用されるＵＶ光源は、約２８０ｎｍにピーク発光があるＵＶ−ＬＥＤであり、ＢｏＰＥＮシンチレータフィルムは、実質的に、厚さ約０．１μｍの層内のフィルム表面でソース光子の少なくとも９９％を吸収する。実施形態においてＵＶ−ＬＥＤをモニタリングするために使用されるＵＶフォトセンサはＵＶフォトダイオードである。必要であれば、ＵＶ光源および／またはＵＶフォトセンサを、適切なＵＶバンドパスフィルタまたはＵＶショートパスフィルタに結合できる。いずれか特定のエリアで放射線ダメージが顕著になり始めると、図１１Ａおよび図１１Ｄに示されるように、シンチレータフレームが遠方側に完全に押されるまで、シンチレータフィルムを遠方側に向けてわずかに押す。シンチレータがその使用可能な長さに沿って完全に放射線でダメージを受けると、シンチレータフレームをその初期位置まで引き戻して交換する。交換するには６方向クロスチャンバ内の真空を破壊する必要があるが、ＢｏＰＥＮは放射性に対する耐性が優れているので（上記表１参照）、総合的なメンテナンスに割り当てられた、予め計画されているダウンタイム期間中にそのような交換を予定することが可能であろう。
【００９３】
シンチレータ６方向クロスチャンバが入口ゲートバルブと出口ゲートバルブの両方を含む場合、真空の破壊は、小さなチャンバ容積に制限され、ビームラインの残りの部分に影響しないようにし、よって、シンチレータフレームの交換は、いつでも都合のよいときに行うことができ、周囲の加圧および再排気を含めて約１時間ほどしかかからないはずである。結果の他の特徴は、上部アームのマシンビジョンカメラ、下部アームのＰＭＴ、左側のプッシュプル線形ポジショナ、および右側の径違いニップルであり、これは、ブリードバルブで小型真空ポンプシステム（図示せず）に接続され、これを用いてチャンバが加圧され続いて再排気される。また、図示されていないのは、記載されているビーム入口ゲートバルブである。しかしながら、出口ゲートバルブは図１１Ｂおよび図１１Ｃで簡単に見ることができ、よって、入口ゲートは、図１１Ｂの入口フランジに取り付けられると同じように見える。それぞれのニップル内のカメラおよびＰＭＴの双方は、雰囲気圧力の大気内で保持される。これは、カメラ側で、ＵＶ透過ビューポイントウィンドウ１１５５をクロスフランジとカメラニップルとの間に挿入することによって実現される。ＵＶウィンドウである理由は、この実施形態のＵＶ−ＬＥＤがカメラレンズの側に位置しているからである。カメラの消費電力が大きな加熱を引き起こすのに十分であれば、ニップル背面フランジを開いたまたは通気する状態のままにしておくことで、カメラまたはレンズバレルの前面がＵＶ−ＬＥＤおよびＵＶ−フォトダイオードの後ろにおいて適切に遮光されている限り、自然対流または強制対流により空気冷却を容易にすることができる。同じビューポイントウィンドウ構成がＰＭＴ側で使用されるが、ＢｏＰＥＮシンチレータ、または、青紫−青−シアン領域に発光ピークを有する減衰時間がより短い他のシンチレータの場合（たとえばＥｌｊｅｎ  ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＥＪ−２００、ＥＪ−２０４、ＥＪ−２１２、ＥＪ−２２８、ＥＪ−２６２など）、ビューポートウィンドウ１１５６はガラスでもよい。
【００９４】
ＰＭＴ集光効率を最大にするために、１．０未満であり得るｆナンバー（たとえばｆ／０．６〜ｆ／０．９）を有する、１組の高効率で高透過率のガラス（たとえばＳｃｈｏｔｔ  Ｂ２７０）非球面集光レンズが採用される。最大効率のため、図１１Ｄに示されるように、第１の集光レンズ１１５０はクロス真空チャンバ内においてシンチレータ／フレームの真下の位置し、第２のレンズ１１５２はガラスビューポートウィンドウ１１５６の真下および周囲圧力のＰＭＴの前に位置する。両方のレンズは、最大光透過率のために反射防止コーティングすることができ、ＰＭＴの前に位置する第２のレンズは、マッチング屈折率プラスチックまたはガラス光ガイド（たとえば円筒形）に光学的に結合することによって反射損失をさらに低減することができ、それにより、エアギャップを完全になくす。ＰＭＴは、最小ジッタ（たとえば０．３ｎｓ以下）、最大量子効率（たとえば２２％以上）、および、最も重要な最大利得（たとえば１ｘ１０６よりも大きい）のために、選択されねばならない。シンチレータは、短い減衰時間を有することに加えて、高い光収率を有していなければならず、全内部反射（total internal reflection）（ＴＩＲ）が可能な場合、非集光表面上にまたは集光表面上のＴＩＲをなくすために粗くされた表面上に設けられた反射コーティングを有することができる、または、最適なＴＯＦ性能のために、６方向クロスにおいて２つのマッチングＰＭＴを２組の集光レンズとともに用いることができる（すなわちカメラを第２のＰＭＴに置き換える）。
【００９５】
図１２Ａ〜図１２Ｃに示される実施形態は、図１１Ａ〜図１１Ｄに示される実施形態と同様であるが、デュアルシンチレータ−フレーム構成を収容するために２つの水平完全ピンプル１２９０および１２９２が追加されている。同様に、図１３Ａ〜図１３Ｃの実施形態は、図１２Ａ〜図１２Ｃの実施形態と非常によく似ているが、重要なことは、図１２の実施形態を図１３のロードロック真空チャンバに効果的に変換する２つの垂直ゲートバルブ１３１０および１３１１が追加されている点である。図１２Ａ〜図１２Ｂは、カスタマイズされた６方向クロス真空チャンバの６つのアームのうちの４つを示し、図示されていない２つのアームは、図面において、ビームがクロス中心に出入りする平面に対して垂直である。図１２Ｃは、６つの側面／アームすべてを示す斜視図であり、これは、ビームが入射（１２０１）および出射（１２０２）する２つの垂直アームを含み、図１３Ａ〜図１３Ｃに示され図１１に関して先に述べた１３１０および１３１１のような１つまたは２つの任意のゲートバルブを組み込むことができる。デュアルシンチレータ−フレームの実施形態は、シンチレータフレームを押すまたは引っ張ることができる３つのチャンバセクションすべてを通る、それぞれ図１２Ａおよび１３Ａに示される真っ直ぐなトラック１２４５またはセグメント化されたトラック１３４５のいずれかを使用する。同一の２つのシンチレータを用いると、シンチレータ交換までの最長時間を実質的に２倍にすることができる。図１２Ａ〜図１２Ｂに示されるようなフレーム内のデュアルシンチレータ１２４０および１２４１は、各々が異なる目的のために選択された２つの異なるシンチレータ材料を使用することも可能にする。たとえば、一方のシンチレータは、最小フィルム厚さおよび最大ビーム透過率のために選択されてもよく（たとえば、ＢｏＰＥＮ）、他方のシンチレータは、図１２Ａ〜図１２Ｂに示される集光レンズシステムのような効率的な集光システムに結合されたときに可能な最速のタイミングを提供するための最小減衰時間および立ち上がり時間のために選択されてもよい。これは、サブｎｓのＴＯＦ（飛行時間）測定のための、図１１Ｄのレンズ要素１１５０および１１５２、ならびに図１０Ａ、１１Ｃおよび１２Ｂそれぞれの高速ＰＭＴ１０６０、１１６０および１２６０においてより明らかに見出すことができる。実施形態では、０．１ｎｓ以下のタイミング分解能を、図１０Ａ、図１１Ａ〜図１１Ｄおよび図１２Ａ〜図１２Ｂに示される６方向クロスビームモニタを使用して、電離度が高い高Ｚ（すなわち原子数）のビームについて、実現することができる。
【００９６】
上述のように、図１２Ａ〜図１２Ｃに示される実施形態において、それぞれのフレームに搭載された２つのシンチレータは、同一でもよく、または、第１のシンチレータ−フレームの組み合わせ１２４０を、高速タイミングのために選択し（たとえばＳａｉｎｔ−ＧｏｂａｉｎのＢＣ−４００）、第２のものを、ＢｏＰＥＮのような組成が異なるより薄いシンチレータ１２４１としてもよい。これはビーム散乱および（陽子、イオン、電子、中性子などの粒子ビームまたは入射光子からの）エネルギー損失を最小としてビーム透過性を最大にするように選択される。その最初のスタート位置にあるシンチレータフレーム１２４１が図１２Ａに示され、これは、図１２Ｂに示されるように反対（すなわち右）側に向けて少しだけ突かれるまたは引っ張られることにより未露光のまたは最小露光のシンチレータフィルムを中央ビーム経路領域に入れる前のものである。このような直線運動は、図１２Ａの直線プッシュプルポジショナ１２２０および１２３０、ならびに図１３Ａの１３２０および１３３０を用いて手動で実現可能である、または、空気圧でもしくはステッピングモータによって制御することができる。
【００９７】
電離ビームに対するシンチレータの積算照射が時間とともに蓄積されると、放射線量も蓄積され、これは通常は図１２Ｂに示されるビームラインクロス中心１２５０またはその近くに集中する。２つの水平長さニップル１２９０および１２９２は、図１２Ｂの２つのシンチレータフレーム１２４０および１２４１を保持し、シンチレータフレームプッシュプル線形ポジショナ１２２０および１２３０は、それぞれのニップルおよびシンチレータフレームに取り付けられ、２つのシンチレータフレームをそのトラック上で左側からビーム中心領域１２５０を通るように押すまたは引っ張る。完全に「使い切られた」（すなわち放射線ダメージを受けた）とき、中央のシンチレータフレームは、取り出すために図１２Ａの右側ニップルチャンバ１２９２（または図１３Ａの１３９２）内に右から引っ張られ、一方、図１３Ａの左側ニップル１３９０の左側シンチレータフレーム１３４０は、ビームが図１３Ｃのフランジ１３０１を通って入射する６方向クロスの中心に押し込むことができる。上部鉛直ニップルは、図１０〜図１３のそれぞれのカメラ１００４、１１０４、１２０４、１３０４とカメラレンズ１００６または１１０６とを含み、下部鉛直ニップルは、ＰＭＴ１０６０、１１６０、１２６０または１３６０（またはＳＳＰＭ）を含む。カメラおよびＰＭＴを含む２つの鉛直ニップルは、周囲圧力であり、それらの密閉されたウィンドウ、たとえば、図１１Ｄに示される１１５５および１１５６によって真空から隔離される。シンチレータは、それぞれが２つのゲートバルブ１３１０および１３１１を閉じることができる約２ｃｍの２つの遮断または開放セグメントを有する、図１３Ａおよび図１３Ｂの３つのセクションのチャネル／レールまたはトラック１３４５に沿って押し引きされる。シンチレータフレーム１３４０および１３４１の各々は、ゲートバルブを閉じることで、真空を破壊せずに取り外すことができる。ゲートバルブを閉じた状態で、シンチレータ交換のために、各シンチレータニップルセクションを個別に加圧し、その後小さなポンプを使用して２つのニップルティーセクション１３９１および１３９３を通して再排気することができる。
【００９８】
図１２に示される実施形態は、シンチレータ交換中に各ニップルを隔離するためのいかなるゲートバルブもないので、「ニップル」１２９０が、実際のところ、シンチレータ交換中のダウンタイムを最短にするために、外部加圧ラインおよび任意の真空ラインに接続するための、径違いフランジ１２９１を有する径違いティーである。この構成は、外部加圧／真空排気ラインに取り付けるための、図１０Ａおよび図１１Ａに示される円錐型径違いニップル１０９０および１１９０と機能的に類似している。図１２または図１３では見えにくいが、内部較正の目的のために、記載されている実施形態は、図１０Ａおよび図１０Ｃのカメラレンズ１００６の各側に示されるＵＶ−フォトダイオード１０８２および１０８４を含むことにより、各ＵＶ−ＬＥＤ１０８６および１０８８の出力をモニタリングして、ＵＶ−ＬＥＤ出力光度の変化を補正する。図１１Ａでは１１８０、図１１Ｄでは１１８２および１１８６としても示される、図１０Ａの内部ＵＶ−ＬＥＤ／ＵＶフォトダイオード較正システム１０８０は、カメラセンサ出力の、時間または温度に伴う変化を、モニタリングおよび補正するためにも使用される。
【００９９】
特定の用途およびビームラインモニタリング要件に応じて、上記および図９〜図１３に記載される６方向クロス構造のいくつかの変形形態が利用可能である。たとえば、ＰＭＴが必要とされない場合、５方向クロスが使用できるが、空間分解能、感度および精度が必須である場合、６方向クロスは、２つのカメラ、すなわち、図９Ａに示されるようにＰＭＴを置換する第２のカメラで使用できる。あるいは、ビームラインモニタが、最高のタイミング分解能および要求される精度で飛行時間（「ＴＯＦ」）測定のために最適化される場合、２組の集光レンズを有する２つの密接に整合したＰＭＴを使用することができ、前述の通りカメラを排除することができる。他の用途では、３方向Ｔ字型または３方向Ｔ字型だけが必要とされる可能性がある、または４方向クロスが利用される可能性がある。
【０１００】
すべてのビームラインモニタリングシステムが、電子および中性子ビーム送達システムのセグメントを含む真空ビームパイプ環境に統合される必要はない。しかしながら、このようなシステムは、本明細書に開示されるさまざまなマルチアームクロスの実施形態を依然として利用することができる。空気中のビームをモニタリングするために、クロスは排気される必要はないが、入口および出口フランジに薄いホイルまたは暗／黒色ポリマーフィルムウィンドウ、またはそれらの何らかのポリマー−ホイルの組み合わせを追加することによって単に光を通さないようにすることができる。シンチレータの回収を強化するために、空気雰囲気は、酸素または酸素増強混合物、または純粋な窒素またはアルゴン、あるいは任意の他の種類の特定の雰囲気を含む任意の気体雰囲気と置き換えることができる。
【０１０１】
カメラを用いるすべての実施形態は、さまざまな入射角または反射角でシンチレータを観察する１つまたは複数のカメラを含み、後者は折り畳まれた光学ミラーシステムを介して間接的に観察する。パラメータ最適化により、各用途について、シンチレータ面（すなわち表面）または鏡に対する法線に対する最も適切なカメラレンズ入射角を決定する。本明細書に開示されている実施形態のほとんどについて、シンチレータに対するカメラレンズ視角は、典型的には２５〜６５°の範囲、平均約４５°である。図６、図２３および図２４における撮影されたカメラ画像の場合、シンチレータ法線に対するカメラ入射角は、典型的には、２０〜３０°以内である。図８〜図２２の実施形態では、シンチレータ法線、または図８および図１４〜図２０の場合はミラー法線に対する平均カメラ角度は、典型的には４０〜５０°であったが、筐体の深さまたは厚さを最小にするために大きくすることができる。しかしながら、２、３度より大きなカメラ角度は、画像のいくらかの角度歪みを引き起こし、歪みの量に応じて、たとえば円形は歪んだ楕円のように見えるまたは歪んだ楕円として現れる。実際、カメラからシンチレータまでの角度がほんの５°の場合、歪みが目立ち始め、１０°の角度では、歪みは明らかに目立つ。したがって、図６、図２３および図２４の画像に対する２０〜３０°の角度において、議論されている楕円体は実際に円形かもしれないが、この歪みのために楕円体であるようにしか見えない。移動しているビームまたはラスタービームの画像の場合、ビームの動きは、画像の形状を伝播方向にさらに歪ませる（図２３および図２４参照）。これらの画像歪みはソフトウェアで補正することができる。
【０１０２】
図２５は、実施形態に係る、光を通さない筐体内における自然対流による空気循環のための４プレート光バッフル２５００を示す。強制対流による、より効率的な、光を通さない空気循環構成は、１つ以上の小型ファンを追加することで実現できる。
【０１０３】
図２６は、実施形態に係る、４５°の傾斜角で撮影した２×２インチの直線画像の写真である。図２６は、キーストーン効果（たとえばレンズ配向に対する傾斜角によって引き起こされる画像の遠近法短縮）としても知られる透視歪みを示す。
【０１０４】
図２６に示されるように、上で開示されている、傾斜角によって引き起こされる角度歪みは、斜視歪みとして知られるが、傾斜歪み、キーストーン効果、キーストーン歪み、または単にキーストーニングとも呼ばれる。よく知られた例は、地面から高層建築物の写真を撮影するときに起こり、建築物は、高いほど、またカメラの傾斜角が大きいほど、一層台形に見える。本明細書で提示される画像はいずれも、この歪みに対して補正されていないが、現代の画像編集ソフトウェアを用いてリアルタイムで容易に補正される。明らかに、カメラレンズの傾きの角度が大きいほど、歪みが大きくなり、画像上端における画像分解能の差は、下端と比較して大きくなる。たとえば、図８および図１４〜図２２において、シンチレータに対する平均カメラレンズ視角は、図２６における４５°の角度の代わりに約６０°である。１０ｃｍ×１０ｃｍシンチレータ象限（たとえば図１７および図１９〜図２０）の中心に焦点を合わせたカメラの下縁と比較して、画像の上縁における画像分解能にほぼ２倍（すなわち２×）の差があり、カメラレンズから画像視野の最も近い点（すなわち象限の頂部）までの作動距離は１０ｃｍである。６０°以上の角度は、以下で開示されるＢＮＣＴが要求するような可能な最も薄いビームモニタ構成を実現するのに必要である。
【０１０５】
上記実施形態は主として陽子ビームおよび陽子ビーム治療への適用性に関して説明および試験されているが、これらの実施形態は、粒子ビーム治療（たとえば陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、電子など）ならびに中性子粒子ビームのためのものを含むすべての種類の粒子ビームに適用可能である。高速中性子は、ＢｏＰＥＮシンチレータフィルムに関連する上述の利点からも利益を得ることができるが、低速〜熱中性子は、ホウ素中性子捕捉療法（「ＢＮＣＴ」）およびガドリニウム中性子捕捉療法（「ＧｄＮＣＴ」）が着目するホウ素ドープＥＪ−２５４等のホウ素またはリチウムまたはガドリニウムドープシンチレータを必要とする。開示されている実施形態のほとんどはＢｏＰＥＮシンチレータに言及しているが、これらの実施形態のいずれもシンチレータに特有のものではなく、したがって、任意のシンチレータ材料を使用することができる。記載されている実施形態は、粒子研究加速器にも注目する。そのような研究に使用される粒子ビームは、電子ビームおよびミューオンビームから、希同位体およびエキソティック重イオンまでのすべてのビーム、ならびに大きく荷電されたウランイオンビーム（たとえば、＋６０より大きい正味電荷を有するＵ−２３８）等の放射性イオンビームを含む。加えて、産業界では数万の粒子ビームが使用されており、これらの実施形態のさまざまなバージョンがそこに用途を見出すことができる。
【０１０６】
実施形態は、高エネルギーの光子ビーム（たとえばＭｅＶガンマおよび／またはＸ線）に基づく外照射治療（「ＥＢＲＴ」）にも使用することができる。本明細書に開示されている実施形態、たとえば、図８および図１４〜図２２に開示されるものは、光子ＥＢＲＴにおける広範な用途を見出す周知のイオン化チャンバビームモニタを超える利点を有し、ＦＬＡＳＨ療法には一層好都合である。イオン化チャンバにを超えるこれらの利点は、最大２桁速いビームプロファイル撮像時間（たとえば約１０μｓ対１０００μｓ）、１桁以上優れた良好な固有２Ｄ位置分解能（たとえば約０．０３ｍｍ対１ｍｍ）、および１桁を超えて高い線量率能力（たとえば約５，０００Ｇｙ／ｓ対１２０Ｇｙ／ｓ）を含む。図８および図１４〜図２２に示される光を通さない周囲圧力ビームモニタ筐体のすべては矩形の形状であるが、これは必要条件または限定ではなく、したがって円筒形のビームモニタ筐体等の他の形の筐体を使用することができる。加えて、上記イオン化チャンバおよびシンチレータベースのＵＦＴビームモニタの厚さは、仕様に応じてほぼ同じの可能性がある。
【０１０７】
最大のセンササイズ、最良の低感光度、最大のビット深さ（すなわち画素グレースケール範囲）、最高のフレームレート、最も高度な埋込みＦＰＧＡ回路、したがってＭＢ／ｓでの最高のデータ伝送出力の、最高性能のカメラは、消費電力が最も多い。そのようなカメラの最大消費電力は、１カメラ当たり約１０ワットのオーダの可能性があるが、カメラが動作していないときの待機電力は、カメラによってははるかに少ない可能性が高い。また、図２３および図２４の画像に使用されるようなより小さいカメラの場合、平均消費電力量はわずか１ワットであった。しかしながら、密閉された筐体内で動作するより電力消費が大きいカメラの場合、発熱とそれに続く熱の蓄積は、適切に対処されなければ問題となり得る。
【０１０８】
熱の蓄積という潜在的な問題にはいくつかの解決策があり、それは、たとえば、図２５のように、自然の空気対流による冷却を可能にする、互い違いの孔を有する一連の内部バッフル付き通気孔を使用して光漏れを遮断することを含む。そのような通気孔の全体の厚さは、２〜３ｃｍを超える必要はない。必要であれば、この概念は、強制空気冷却のために１つ以上の小型ファン（たとえば２インチ〜４インチのブレード径）に結合された場合、強制対流によって補うことができる。少なくとも２つのそのような通気光バッフルが必要とされ、好ましくはシンチレータ箱型筐体の両側に取り付けられる、すなわち、空気／酸素流入用の入口バッフルと、空気／酸素流出用の出口バッフルとが必要とされる。図２５（側面図）は、入口２５０１から出口２５０２への光バッフル通気孔の互い違いの孔を通る空気流を示すために破線矢印を使用する。光バッフルの目的は、光漏れを防止または最小化しつつ、シンチレータ箱型筐体を通る冷たい周囲空気流、または極低温冷却窒素などの低温ガス、または酸素富化空気、またはシンチレータ箱型筐体を通る純粋な酸素循環の連続的な循環および交換を、容易にすることである。シンチレータ箱型筐体内の酸素循環の動機は、シンチレータ内への酸素拡散が、入射電離放射線ビームによってシンチレータ内に生成される放射線ダメージフリーラジカルの酸素捕捉によるシンチレータダメージの部分的回復または修復を容易にすることにより、シンチレータ放射線ダメージを潜在的に最小化できることである。
【０１０９】
これに代えて、光を通さない筐体を、カメラレンズの周りで密封することができ、カメラ本体は、光を通さない筐体の外に突出し、それによってカメラ熱を外部の周囲開放空気環境に排出する。６方向クロスシステムの場合、特注の短いニップルは、カメラレンズに対する光を通さないシール（たとえば二重Ｏリング）を用いて作成することができ、したがって、カメラ本体は、外部に突出してニップルフランジを超えて外部大気まで延びる。一部のカメラは熱電冷却センサとともに販売されているので、カメラまたはシリコン画像センサの能動的冷却を使用するという選択肢があり、または極低温冷却を使用するという選択肢さえある。最後に、各カメラおよび／またはセンサは、温度の関数としてそれらの信号応答またはドリフトについて較正することができ、その後、その筐体内のカメラまたはセンサの温度がモニタリングされ、その信号応答がソフトウェアによって自動的に補正される。
【０１１０】
ＥＢＲＴ用途における中性子の検出について、中性子ビームモニタリングシステムの最も明らかな２つの位置は、（１）Ｌｉターゲットのすぐ後ろであるがモデレータの前であり、主として低速中性子であるがおそらく一部の高速中性子（たとえば約０．８〜１ＭｅＶ）が典型的には約２．６ＭｅＶの陽子ビームによって生成され、（２）中性子エネルギーが、多くのホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）治療計画に対し、エピサーマルエネルギー範囲まで、しかしより広くは熱中性子から低速または高速中性子までの範囲にわたり劣化する、モデレータの後ろである。１つの中性子ビームモニタのみが使用される場合、最も重要な位置は、モデレータのすぐ後ろ、患者の前である。フィンランドにおける最近の試験は、１〜３０ｋｅＶの「低速」中性子がＢＮＣＴ治療の実用的なエネルギー範囲を構成することを示唆している。本明細書に開示されている実質的にすべてのビームモニタ実施形態は、上記位置（１）におけるＬｉターゲットのすぐ後ろで生成される中性子の検出およびモニタリングに対して十分に機能するはずであり、ＢＮＣＴマシンの中性子強度は約１０１３ｎ／ｓのオーダであると推定され、これは、０．２ｍｍ厚のＢｏＰＥＮフィルムからの約５×１０１３シンチレーション光子／秒に対応する。したがって、ビームとの相互作用を最小にしつつも大量のシンチレーション光を生成するために、はるかに薄いシンチレータフィルムを使用することができる。たとえば、厚さ１２μｍのＢｏＰＥＮフィルムシンチレータは、１秒当たり約３ｘ１０１２のシンチレーション光子を生成するはずである。しかしながら、位置（２）におけるビームモニタリングの場合、追加されたモデレータに加えてエネルギーフィルタリングは、エピサーマル中性子の数を、少なくとも数桁大幅に低減し、これは、位置（１）におけるより強力な「低速」中性子よりもエネルギーが低いために、いずれにせよ検出することが顕著に困難である。このことは、モデレータの後の中性子ビームモニタリングのために、Ｂ１０または別の高中性子断面同位体（たとえばＬｉ６またはＧｄ）ロードシンチレータが、シンチレーションホストにおける蓄積エネルギーを増加させるために必要とされることを意味する。そのようなシンチレータは、プラスチックシートで入手可能であり、上で開示され図１１〜図２２に示されるシンチレータフレームの実施形態に組み込むことができる。
【０１１１】
ＢＮＣＴ頭部および頸部ＥＢＲＴ治療の場合、患者の頭部は、通常、中性子ビーム出口ノズルの非常に近くに配置され、したがって、シンチレータ法線に対する最大のカメラ−レンズ角度（たとえば６０°〜７０°）に対応して、最薄プロファイルビームモニタが必要である。カメラ角度が６０°以上の図１４〜図１９の改良バージョンは、イオン化チャンバとほぼ同じ厚さである、約６ｃｍ〜８ｃｍの全ビームモニタ厚さ（すなわち入口から出口ウィンドウまで）の、そのような用途のために設計されている。これらの実施形態（図示せず）は、図１４〜図１９と同様に見えるが、図１４〜図１９の約４５°の角度と比較して、約６０°〜７０°というより厳しい平均カメラ−レンズ角度のため、単により薄い。
【０１１２】
上で開示されている中性子ビームモニタの場合、どちらもＢ１０ロードプラスチックＰＶＴベースのシンチレータであるＥｌｊｅｎ  ＥＪ−２５４またはＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ  ＢＣ−４５４、またはＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎのセリウム活性化Ｌｉ６ドープケイ酸塩ガラスシンチレータ等の、いくつかの高中性子断面同位体ロードシンチレータが利用可能であるが、Ｌｉ６ドーププラスチックも製造されている。ＢＮＣＴおよびＧｄＮＣＴ（ガドリニウム−ＮＣＴ）の両方を含むさまざまな中性子捕捉治療（「ＮＣＴ」）用途では、使用される中性子ビームは、熱ＮＣＴから高速ＮＣＴ（ＦＮＴとも呼ばれる）までのエネルギー範囲に及ぶが、ほとんどのＮＣＴプログラムは、エピサーマルＮＣＴに基づくと思われる。残念ながら、これらの中性子のすべては、陽子および／または光子よりも、シンチレータ材料にダメージを与え、したがって、シンチレータの交換ははるかに頻繁に行われる必要がある。この理由から、上記実施形態において採用されている内部較正スキームは、中性子ビームモニタの実装に成功するには重要であり、シンチレータ交換および内部較正を数分以内にできることは、より頻繁な交換のため、陽子または光子ＥＢＲＴよりもＮＣＴにとってさらに有益であろう。ホウ素ドープシンチレータの有用寿命を延長し、したがって、それを頻繁に交換する必要がない１つの方法は、電動ＸＹ平行移動段階をビームモニタ筐体構造に統合し、それによって必要に応じて比較的小さいステップでシステム全体をＸ−Ｙ平面において平行移動させることである。よって、等角点の周りで動かしシンチレータ交換の間隔を長くするこのストラテジは、概念的には、前述のプッシュ−プル線形ポジショナを介してシンチレータフレームを６方向クロスの小さなステップで動かすことと同様である。
【０１１３】
中性子検出のためのシンチレータに関連する一般的な複雑さは、大部分の中性子源もガンマを生成し、したがって中性子を検出するシンチレータもガンマを検出することにある。ほとんどの用途は、医療用イメージングまたは国土安全であり、ガンマと中性子とを効果的に区別することができる中性子検出システムを必要とする。図１８および図１９に開示されるビームモニタの実施形態は、ＢＮＣＴおよびＧｄＮＣＴ等のＮＣＴ用途ならびに国土安全等の他の用途のために、そのような区別を効果的に提供することができる。これを達成することができる方法は、図１８および図１９において構成されている２つの異なるシンチレータを使用することであり、たとえば、１８６２および１９６２等の一方側（たとえば入口ウィンドウ）のシンチレータは、それぞれ、薄いＢｏＰＥＮフィルムまたは従来のポリビニルトルエン（「ＰＶＴ」）もしくはポリスチレン（「ＰＳ」）ベースのガンマ／イオンシンチレータのいずれかで構成されていてもよい。１８６０および１９６０等の反対側（たとえば出口ウィンドウ）のシンチレータは、それぞれ、ホウ素ロードＥＪ−２５４ベースのＰＶＴ（約５％の天然ホウ素）またはＢＣ−４５４ベースのＰＶＴ（約５％の天然ホウ素、１０％の天然ホウ素も利用可能）等の中性子感応性シンチレータである。中性子で生成された画像／信号をガンマによって生成された画像／信号から分離する方法は、１８６０または１９６０シンチレータによって生成さた画像／信号から１８６２または１９６２シンチレータによって生成された画像／信号をデジタル的に減算することである。そのような設計は、高いガンマ−中性子弁別レベルを有するかのように模倣するまたは振る舞う。
【０１１４】
中性子によるシンチレータのダメージを調べる際に、ビームモニタカメラへの放射線ダメージの問題も検討した。実験は、陽子療法治療室内の患者観察カメラに対する何年かの期間にわたる低速の放射線のダメージは、主に中性子が原因であることを示している。一部の中性子はコリメータ内で生成されるが、中性子の主な源は、陽子ビームシステムではなく、患者の相互作用および陽子ビーム自体の吸収から、すなわち主に陽子ビームが患者内部の腫瘍部位で停止する場所から生じる。デジタルカメラへの放射線ダメージは、空間天文学で使用されるイメージングセンサ（大部分はＣＣＤ）について、および、融合研究用などのカメラによって高中性子フラックスが生成されモニタリングされる他の状況について、広く研究されてきた。カメラのシールドは有用である可能性はあるが、それほど簡単ではないこともわかっている。１つの解決法は、カメラセンサを約−２０℃以下まで直接冷却することであり、これはまた、熱源としてのカメラを排除し、それによって、カメラだけでなくＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶ−フォトダイオード、および場合によってはシンチレータ応答自体の較正ドリフトを引き起こす熱加熱を減じる。
【０１１５】
カメラセンサ／電子機器は、通常はシリコンがホウ素でドープされてｐ型シリコンとなるので、中性子ダメージを受けやすい。しかしながら、ｐ型シリコンは、ホウ素の代わりにガリウム（「Ｇａ」）をドープすることによって製造することも可能であり、これにより、放射線硬化シリコンデバイスが製造される。ＣＭＯＳイメージセンサおよびカメラを含む放射線硬化半導体および放射線耐性半導体の両方が、いくつかの供給源から入手可能であり、その理由は、そのようなセンサおよびカメラが、軍用、航空宇宙、科学、および核エネルギーを含むいくつかの用途に必要とされるからである。従来のホウ素ドープシリコンデバイスでは、中性子を原因とする主なカメラの視覚的ダメージは、大抵シリコン画像センサにおける「明」画素を生じさせる。放射線ダメージによって引き起こされる「明」画素は、高い暗電流画素または「ホット画素」である。いくつかの実施形態は、ビーム照射室内のカメラを数年ごとに交換する。生成された中性子の大部分は、陽子ビーム運動方向に散乱し、これは、患者が照射されている場所の反対側に向かうものであり、したがって照射室の後方に向かうものである。しかしながら、照射室全体は散乱中性子場によって有効にされ、一部の中性子はビームノズル出口および患者の前に位置するカメラに向かって後方散乱する。ビームモニタリングシステムの頻繁な内部較正は、放射線ダメージを受けた画素を識別するので、画像分析へのそれらの寄与は、ソフトウェアによって都合よく排除することができる。カメラの部分的中性子シールドはいくつかの手段によって達成することができ、それは、市販の５％ホウ素ドープＰＶＴプラスチックシンチレータと同様に、カメラ本体およびレンズの前でホウ素ドープ透明プラスチックを使用することを含むが、フッ素ドーパントは添加しない。カメラ自体は直接ビーム経路から外れて配置されるので、入口ウィンドウ領域および出口ウィンドウ領域を除く光を通さないカメラ箱型筐体全体は、ＣｅｒａｄｙｎｅのＢｏｒＡｌｕｍｉｎｕｍ（約４．５重量％〜８重量％のＢ−１０同位体）のようなホウ素−アルミニウム合金、Ｓ−ＤＨのＡｌｕＢｏｒ（１０重量％の天然ホウ素）、またはＢＯＲＡＬもしくはＢＯＲＴＥＣ等のホウ素被覆アルミニウムのような、中性子シールド金属シートから作ることができる。また、ホウ素繊維で作られたホウ素複合プレートを使用することもできる。これに代えて、多数の小さな遮蔽板を各カメラ本体の周囲に戦略的に配置することができる。カメラの前面を中性子から遮蔽するための別の解決策は、カメラレンズの前において、厚い、高いホウ素含有量の透明ホウケイ酸ガラス（たとえば３〜５％ホウ素）を使用することであり、これはカメラ本体全体の前であってもよい。多数のホウケイ酸光学ガラスがあるが、それぞれホウ素が４．７％、４．０％、および３．１％（重量％）の、Ｓｃｈｏｔｔ  Ｎ−ＺＫ７（１５重量％Ｂ２Ｏ３）、Ｎ−ＢＫ１０（１３重量％Ｂ２Ｏ３）、およびＮ−ＢＫ７（Ｂｏｒｋｒｏｎとも呼ばれる、１０重量％Ｂ２Ｏ３）、または、ホウ素４．０％のＳｃｈｏｔｔ  ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ−３３（すなわち１３％Ｂ２Ｏ３）はすべて、１２．６％Ｂ２Ｏ３であるＣｏｒｎｉｎｇ７７４��ガラス（Ｐｙｒｅｘ（登録商標））のように、すべて容易に入手可能である。しかしながら、他のホウ酸塩ガラスよりもはるかに経済的であるＢＯＲＯＦＬＯＡＴ−３３は、中性子遮蔽用に、最大約２５ｍｍの厚さで販売されている。Ｂ２Ｏ３およびＧｄ２Ｃ３が極端に高いガラスが、出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０６９５７８等の特許文献に記載されており、場合によってはより効果的であることに、留意されたい。また、高濃度ドープホウ素およびリチウムポリエチレンシート、ブリックおよびロッド／シリンダの供給源は、Ｓｈｉｅｌｄｗｅｒｘ（Ｂｌａｄｅｗｅｒｘ  ＬＬＣの事業部）であり、これは、ＳＷＸ−２１０と呼ばれる３０％天然ホウ素ドープポリエチレン製品（すなわち１．８７×１０２２／ｃｍ３のホウ素原子を含有）、および、７．５％天然リチウムドープポリエチレン製品ＳＷＸ−２１５を販売している。ホウ素ドープ中性子シールド材料の欠点は、ホウ素によって捕捉された各中性子が０．４２ＭｅＶのガンマ線を発生させることである。しかしながら、リチウムドープシールド材料は、中性子捕捉ガンマを発生させない。しかしながら、Ｂ１０と比較してＬｉ６の低中性子捕捉断面は、同様にドープされたホウ化材料よりも厚いリチウムドープ材料が必要であることを意味する。
【０１１６】
中性子ダメージに関して、カメラ、または場合によっては単にシリコンイメージセンサをどの時点で交換する必要があるかを実験的に判断する必要があるが、陽子または光子治療の場合は何年かで交換の可能性が最も高い。なぜなら、内部較正システムは、不良画素が発生するとリアルタイムで調整できるからである。また、画像センサ画素サイズが大きいほど、放射線ダメージを受けにくいことにも留意されたい。図９〜図１３の６方向クロスのようなビームラインモニタの場合、光学系の長さを延ばすことにより、光子収集および空間分解能に対する有害な影響を最小化しながら、カメラをビームライン、したがって放射場からかなりの距離だけ遠ざけることができる。これは、リレー列アセンブリを含むリレーレンズシステムの導入を通して実現することができる。具体的な設計は、カメラシステムの光学管長を延長するために望ましい距離に応じて決まる。リレーレンズは、遠隔観察のために視距離を伸ばすように作られ、中間焦点面を生成することによって動作する。光学画像の収集および分配は、リレーレンズまたはリレーレンズ列を介して光パターンを伝達する集束レンズを用いて行われる。いくつかの例は、ペリスコープ、内視鏡、遠隔検査および監視を含む。多種多様なリレーレンズが市販されている。
【０１１７】
実施形態は、粒子放射線および光子放射線の両方の場合の外照射療法（「ＥＢＲＴ」）関連用途を対象とする。両方のタイプのＥＢＲＴについて、実施形態は、２つの場所のいずれかで使用するように設計されたビームモニタリングシステムを対象とし、上記場所は、（１）加速器ビーム照射システムの内部に配置された内部ビームモニタであり、したがってビームがシステムノズルもしくはスナウト（snout）もしくはコリメータを出る前、または（２）加速器ビーム照射システムの外側に配置された外部ビームモニタであり、システムノズルもしくはスナウトもしくはコリメータを出た後であり、したがって、照射システム出口の後ろかつ患者の前に位置する。
【０１１８】
実施形態はさらに、イオン注入加速器（たとえば、イオンに依存し、典型的には＞０．３ＭｅＶ）および核物理学粒子加速器等の、さまざまな工業および科学ビームモニタリング用途に使用することができる。イオン粒子エネルギーは１ＭｅＶ未満であることが多く粒子自体は典型的には高イオン化され重い核であるので、典型的に、イオンビーム注入は、ビーム透明度に関して最も厳しい検出器／モニタ設計要件を有する。核物理学に使用される多くの加速器はまた、比較的低いイオンエネルギーから中程度のイオンエネルギーで動作し、したがって、実施形態に係る同じビームモニタ概念を両方の用途に使用することができる。記載されている実施形態のいくつかの追加の利点は、従来のシステムの時間を要する較正のコストと比較して、ビームモニタの必須ハードウェアの相対的に低いコスト、および、超高速内部較正システムに関連する最小オーバーヘッド費用を含む低コスト寿命の動作／保守費用を含む。この利点は、他の検出器／モニタの保守および放射線ダメージ交換費用が高い科学用途（たとえば核物理学）にとっても重要である。
【０１１９】
本明細書に開示されているＵＦＴビームモニタの実施形態の治療上の利点は、「ＦＬＡＳＨ」照射療法において特に有用であり、この療法では、４０Ｇｙ／ｓを超える超高線量率（すなわち、ＦＬＡＳＨ）で、６０秒以上の期間にわたって単線量で０．０３Ｇｙ／ｓ以下の従来の線量率と比較して短いパルス（約０．５秒）の放射線が照射される。ＦＬＡＳＨ放射線療法はがん治療の劇的な変化をもたらし得るものである。なぜなら、超高線量率は、正常組織と腫瘍組織との間で異なるレスポンスを増大させることによって悪性細胞の死亡率を高めるが健康な細胞へのダメージを大幅に増加させることはないと思われるからである。ＦＬＡＳＨビームをリアルタイムでモニタリングするために、記載されているＵＦＴビームモニタの、はるかに高速のビームプロファイルイメージング時間および読出機能、大幅に改善された固有２Ｄ位置分解能、ならびに一層高い線量率機能は、従来のイオン化チャンバと比較して、極めて大きな利点をもたらし、この意味において、予期せぬ可能化技術であると思われる。
【０１２０】
実施形態は透過性電離放射線ビームモニタリングシステムを含み、このシステムは、入射電離放射線ビームに対する超薄型で暗色または黒色の出口ウィンドウを有する筐体構造と、直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり入射放射線ビームに対して透過性である、筐体構造内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、シンチレータに面し内部システム較正のための、筐体構造内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、筐体構造内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、カメラ本体とレンズとを含む、筐体構造内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラとを備え、その光軸の投影は、シンチレータの表面に対する入射角度が５０±３０度となるように配向される。
【０１２１】
実施形態はさらに、マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理し分析するためのフレームグラバを含むコンピュータシステムと、マシンビジョンカメラとコンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイス接続とを備え、シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、複数のカメラの各々は、シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた対応するレンズを有し、その視野は特定セクションを中心とし、各ＵＶ光源に極めて近接して光学的に結合されたＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、ＵＶバンドパスフィルタは、ＵＶ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有し、ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小であり、コンピュータシステムは、ビームの位置および動きを追跡することと、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算することとをさらに含み、薄型シンチレータは、二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）を含む。
【０１２２】
実施形態は透過性電離放射線ビームモニタリングシステムを含み、このシステムは、入射電離放射線ビームに対する超薄型の入口ウィンドウと超薄型の出口ウィンドウとを含む、光を通さない筐体を備え、入口ウィンドウおよび出口ウィンドウは、入射電離放射線ビームに対して高透過性であり、暗色または黒色の、ポリマーフィルムまたは金属箔またはポリマーと箔とを組み合わせた複合物、のうちの１つを含み、直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり入射放射線ビームに対して透過性である、光を通さない筐体内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、シンチレータに面し内部システム較正のための、光を通さない筐体内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、光を通さない筐体内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、入射電離放射線ビーム経路の外に位置する、カメラ本体とレンズとを含む、光を通さない筐体内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラと、各レンズに極めて近接し、入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、レンズおよびシンチレータの両方に対して斜めにある角度をなして面する、ミラーとを備え、マシンビジョンカメラと、マシンビジョンカメラに対応付けられた極めて近接するミラーとは、光を通さない筐体の厚さまたは深さを減じるための、シンチレータの表面へのその視野に対して折り畳まれた光学系構成を含む。
【０１２３】
実施形態はさらに、外照射療法によるがんの治療に対して最適化され電子、陽子、イオンもしくは中性子の粒子ビーム、または、Ｘ線もしくはガンマ線の光子ビームのうちの一方を含む電離放射線ビームを含み、薄型シンチレータは、厚さの範囲が１μｍ〜３００μｍである二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）のフィルムまたはシートを含み、シンチレータはロール・ツー・ロールシンチレータ供給構成を含み、シンチレータフィルムが、光を通さない筐体の内部に位置する小径の供給スプール上に巻かれて保管され、ビーム軸通過ウィンドウエリアを通って巻取スプール上まで引っ張られ、シンチレータフィルムは、巻取スプールスピンドルを回転させてシンチレータフィルムの新たな部分をビームウィンドウエリアを通して移動させることにより過去にダメージを受けた放射エリアと置き換えるステッピングモータによって送ることができ、入口ウィンドウおよび出口ウィンドウのうちの一方または双方は、ウィンドウ／シンチレータフレーム構造が光を通さない筐体の外部からアクセス可能な単一の交換可能なモジュールユニットを含むように、薄型フレームによって薄型シンチレータに個別に物理的に結合され、シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、各々のカメラは、シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた、その折り畳まれた光学系のレンズを有し、その視野は特定セクションを中心とし、コンピュータシステムはフレームグラバを含み、フレームグラバは、複数のカメラからのデータを組み合わせてシンチレータエリア全体にわたるビームの位置および動きを追跡し、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算し、シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、各カメラは、小型ミラーに極めて近接しかつ光学的に結合されることにより、光を通さない筐体の厚さを最小にするためにマルチカメラ折り畳み光学系構成を形成し、複数のマシンビジョンカメラのうちのいくつかのマシンビジョンカメラは短露光時間で動作しその他のマシンビジョンカメラは長露光時間で動作し、デュアル入口−出口ウィンドウ／シンチレータモジュールシステムの場合、マシンビジョンカメラの近接するミラーの折り畳まれた光学系ユニットのうちのいくつかは、入口シンチレータエリアに焦点を合わせ、残りは、出口シンチレータエリアに焦点を合わせ、コンピュータシステムは、２つのシンチレータ間のビーム角度の相違を計算する一方で、ビームの位置、動き、強度プロファイル、フルエンスおよび外部線量測定の精度および分解能を改善することができる。
【０１２４】
実施形態は透過性電離放射線ビームモニタリングシステムを含み、このシステムは、真空互換フランジを有する真空チャンバ構造を備え、それを通して入射電離放射線ビームがモニタリングシステムに入射しモニタリングシステムから出射し、入射電離放射線ビームに対して透過性であり、入射放射線ビームの法線に対して１０度よりも大きな角度で配向された、真空チャンバ構造内の、少なくとも１つの薄型シンチレータと、真空気密ビューポイントウィンドウに装着されたフランジによって真空チャンバ構造に装着された大気／周囲圧のアームまたはニップルまたは小型筐体内のマシンビジョンカメラとを備え、カメラ光軸は、シンチレータの法線に対して８０度未満の角度で配向され、シンチレータに面し内部較正のための少なくとも１つのＵＶ光源と、ＵＶ光源をモニタリングおよび較正するように配置された少なくとも１つのＵＶフォトセンサとを備える。
【０１２５】
実施形態はさらにマルチアームクロスを含み、クロスの１つのアーム上のビューポイントウィンドウのフランジに装着された周囲圧のニップルまたは小型筐体内に位置するカメラを備え、薄型シンチレータが、フレーム内に設けられプッシュプル線形ポジショナのシャフトに装着され、これは、ビームエリアを通してクロス一方側またはアームから反対側またはアーム内に押すまたは引くまたは突くことができ、シンチレータは、そのフレーム内で、入射放射線ビームの法線に対して４５±２５度の角度で配向され、カメラの光軸は、シンチレータの法線に対して４５±２５度の角度で配向され、真空チャンバ構造は６方向クロスであり、カメラは、クロスの１つのアーム上のビューポイントウィンドウのフランジに装着された小型筐体内に位置し、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）等の光電子増倍管（ＰＭＴ）またはソリッドステート光電子増倍管（ＳＳＰＭ）が第２の小型筐体内に位置し、第２の小型筐体も、大気／周囲圧であり、カメラの反対側のアーム上の第２のビューポイントウィンドウのフランジに装着され、第１の集光レンズが、ＰＭＴまたはＳＳＰＭを含む大気／周囲圧の小型筐体内においてビューポイントウィンドウに極めて近接して位置し、第２の集光レンズが、シンチレータフレームの真下において真空チャンバ構造内の同じビューポイントウィンドウの反対側に位置し、２つの集光レンズは、ビューポイントウィンドウによって分離されているが互いに正面で対向することにより、シンチレータからの比較的大きな立体角の光を捕捉してＰＭＴまたはＳＳＰＭの感光エリア上に投射し、第１のシンチレータがそのフレーム内で６方向クロスの１つのアーム内に位置し、第２のシンチレータがそのフレーム内で６方向クロスの反対側のアーム内に位置し、各シンチレータは自身のプッシュプル線形ポジショナに装着され、第１および第２のシンチレータは、組成または厚さが同一である必要はなく、シンチレータは、ロール・ツー・ロールシンチレータ供給構成を含み、シンチレータフィルムが、真空チャンバ構造の内部に位置する小径の供給スプール上に巻かれて保管され、ビーム軸通過ウィンドウエリアを通って巻取スプール上まで引っ張られ、シンチレータフィルムは、巻取スプールスピンドルを回転させてシンチレータフィルムの新たな部分をビームウィンドウエリアを通して移動させることにより過去にダメージを受けた放射エリアと置き換えるステッピングモータによって送ることができる。
【０１２６】
実施形態は電離放射線のビームをモニタリングする方法を含み、高速内部較正システムを用いて、ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡するステップを含み、この方法は、電離放射線のビームを透過性薄型シンチレータで受けるステップを含み、シンチレータは、光を通さない構造に封入され、光を通さない構造は、入射電離放射線ビームに対して高透過性である入口および出口と、少なくとも１つのミラーおよび１つのマシンビジョンカメラを含む折り畳まれた光学系と、薄型シンチレータに面する少なくとも１つのＵＶ光源と、ＵＶ光源をモニタリングするように配置された少なくとも１つのＵＶフォトセンサとを有し、コンピュータシステムが、フレームグラバと、各マシンビジョンカメラとコンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイスとを含み、この方法は、多数の放出光子を生成するステップを含み、光子のうちの一部はマシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系にリアルタイムで捕捉され、各マシンビジョンカメラからの一連のストリーミング画像をコンピュータシステムに与えるステップとを含み、コンピュータシステムは、マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理および分析することにより、ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡し、高速内部較正システムが、ＵＶ光源を周期的に起動することにより、薄型シンチレータのアクティブエリア全体を照明する一方で、ＵＶフォトセンサが、ＵＶ光源をモニタリングすることにより、経時的なＵＶ光源信号ドリフトまたは不安定性を補正し、一方、マシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系は、シンチレータの光子放出の画像をそのアクティブエリアにわたってストリーミングし、コンピュータシステムは、マシンビジョンカメラのデジタル画像出力を、同一条件で得られた、薄型シンチレータの、過去に保存されたデジタル画像出力と比較することで、経時的なシステム安定性をモニタリングし、パフォーマンスの小さな変化に対してシステムを内部較正し、予めプログラミングされたガイドラインに従いシンチレータの構成要素の変更が必要なときに信号で知らせる、または、その他のハードウェアもしくはソフトウェア問題が検出されたときにフラグを立てる。
【０１２７】
いくつかの実施形態が、本明細書で具体的に例示および/または説明されている。しかしながら、開示されている実施形態の修正および変形は、上記教示によってカバーされ、本発明の精神および意図する範囲から逸脱することなく以下の請求項の範囲に包含されることが、理解されるであろう。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年4月8日(2021.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過性電離放射線ビームモニタリングシステムであって、
入射電離放射線ビームに対する超薄型で暗色または黒色の出口ウィンドウを有する筐体構造を備え、前記出口ウィンドウは高透過性であり、
直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり前記入射放射線ビームに対して透過性である、前記筐体構造内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、
前記シンチレータに面し内部システム較正のための、前記筐体構造内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、
前記ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、前記筐体構造内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、
入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、カメラ本体とレンズとを含む、前記筐体構造内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラとを備え、その光軸の投影は、前記シンチレータの表面に対する入射角度が５０±３０度となるように配向される、透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項２】
前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理し分析するためのフレームグラバを含むコンピュータシステムと、
前記マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイス接続とをさらに備える、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項３】
前記コンピュータシステムは、ビームの位置および動きを追跡することと、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、前記マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算することとをさらに含む、請求項２に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項４】
シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、前記複数のカメラの各々は、前記シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた対応するレンズを有し、その視野は前記特定セクションを中心とする、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項５】
各ＵＶ光源にきわめて近接して光学的に結合されたＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項６】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項７】
前記薄型シンチレータは、二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）を含む、請求項１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項８】
透過性電離放射線ビームモニタリングシステムであって、
入射電離放射線ビームに対する超薄型の入口ウィンドウと超薄型の出口ウィンドウとを含む、光を通さない筐体を備え、前記入口ウィンドウおよび前記出口ウィンドウは、前記入射電離放射線ビームに対して高透過性であり、暗色または黒色の、ポリマーフィルムまたは金属箔またはポリマーと箔とを組み合わせた複合物、のうちの１つを含み、
直接的に入射電離放射線ビーム経路内にあり前記入射放射線ビームに対して透過性である、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つの薄型シンチレータと、
前記シンチレータに面し内部システム較正のための、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、
前記ＵＶ光源をモニタリングし較正するように配置された、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つのＵＶフォトセンサと、
入射電離放射線ビーム経路の外に位置する、カメラ本体とレンズとを含む、前記光を通さない筐体内の少なくとも１つのマシンビジョンカメラと、
各レンズにきわめて近接し、入射電離放射線ビーム経路の外に位置し、前記レンズおよび前記シンチレータの両方に対して斜めにある角度をなして面する、ミラーとを備え、前記マシンビジョンカメラと、前記マシンビジョンカメラに対応付けられたきわめて近接するミラーとは、前記光を通さない筐体の厚さまたは深さを減じるための、前記シンチレータの表面へのその視野に対して折り畳まれた光学系構成を含む、透過性電離放射線ビーム。
【請求項９】
前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理し分析するためのフレームグラバを含むコンピュータシステムと、
前記マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイス接続とをさらに備える、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１０】
シンチレータエリアを取囲む複数のマシンビジョンカメラをさらに備え、各々のカメラは、前記シンチレータエリアの１つの特定セクションに焦点を合わせた、その折り畳まれた光学系のレンズを有し、その視野は前記特定セクションを中心とする、請求項９に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１１】
コンピュータシステムはフレームグラバを含み、前記フレームグラバは、前記複数のカメラからのデータを組み合わせてシンチレータエリア全体にわたる前記ビームの位置および動きを追跡し、ビーム形状、ビーム強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を、前記マシンビジョンカメラのストリーミングデジタル出力からリアルタイムで計算する、請求項１０に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１２】
前記複数のマシンビジョンカメラのうちのいくつかのマシンビジョンカメラは短露光時間で動作し、その他のマシンビジョンカメラは長露光時間で動作する、請求項１１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１３】
入口および出口は、デュアルウィンドウ／シンチレータモジュールシステムを含み、前記マシンビジョンカメラの近接するミラーの折り畳まれた光学系ユニットのうちのいくつかは、入口シンチレータエリアに焦点を合わせ、残りは、出口シンチレータエリアに焦点を合わせ、前記コンピュータシステムは、前記２つのシンチレータ間のビーム角度の相違を計算する一方で、前記ビームの位置、動き、強度プロファイル、フルエンスおよび外部線量測定の精度および分解能を改善することができる、請求項１１に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１４】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１５】
各ＵＶ−ＬＥＤ光源にきわめて近接して光学的に結合された１つのＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ−ＬＥＤ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項１４に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１６】
前記電離放射線ビームは、外照射療法によるがんの治療に対して最適化され、電子、陽子、イオンもしくは中性子の粒子ビーム、または、Ｘ線もしくはガンマ線の光子ビームのうちの一方を含む、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１７】
前記薄型シンチレータは、厚さの範囲が１μｍ〜３００μｍである二軸延伸ポリエチレンナフタレート（ＢｏＰＥＮ）のフィルムまたはシートを含む、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１８】
前記シンチレータはロール・ツー・ロールシンチレータ供給構成を含み、シンチレータフィルムが、前記光を通さない筐体の内部に位置する小径の供給スプール上に巻かれて保管され、ビーム軸通過ウィンドウエリアを通って巻取スプール上まで引っ張られ、前記シンチレータフィルムは、巻取スプールスピンドルを回転させてシンチレータフィルムの新たな部分を前記ビームウィンドウエリアを通して移動させることにより過去にダメージを受けた放射エリアと置き換えるステッピングモータによって送ることができる、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項１９】
入口ウィンドウおよび出口ウィンドウのうちの一方または双方は、ウィンドウ／シンチレータフレーム構造が前記光を通さない筐体の外部からアクセス可能な単一の交換可能なモジュールユニットを含むように、薄型フレームによって前記薄型シンチレータに個別に物理的に結合される、請求項８に記載の透過性電離放射線ビームモニタリングシステム。
【請求項２０】
電離放射線のビームをモニタリングする方法であって、前記方法は、高速内部較正システムを用いて、ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡するステップを含み、前記方法は、
前記電離放射線のビームを透過性薄型シンチレータで受けるステップを含み、前記シンチレータは、光を通さない構造に封入され、前記光を通さない構造は、入射電離放射線ビームに対して高透過性である入口および出口と、少なくとも１つのミラーおよび１つのマシンビジョンカメラを含む折り畳まれた光学系と、前記薄型シンチレータに面する少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）光源と、前記ＵＶ光源をモニタリングするように配置された少なくとも１つのＵＶフォトセンサとを有し、コンピュータシステムが、フレームグラバと、各マシンビジョンカメラと前記コンピュータシステムとの間の有線ケーブルまたは無線データインターフェイスとを含み、前記方法は、
多数の放出光子を生成するステップを含み、前記光子のうちの一部は前記マシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系にリアルタイムで捕捉され、
各マシンビジョンカメラからの一連のストリーミング画像を前記コンピュータシステムに与えるステップとを含み、
前記コンピュータシステムは、前記マシンビジョンカメラからの画像データストリーミングをリアルタイムで処理および分析することにより、前記ビームの位置、動き、強度プロファイル、ビームフルエンスおよび外部線量測定を追跡し、
前記高速内部較正システムが、前記ＵＶ光源を周期的に起動することにより、前記薄型シンチレータのアクティブエリア全体を照明する一方で、前記ＵＶフォトセンサが、前記ＵＶ光源をモニタリングすることにより、経時的なＵＶ光源信号ドリフトまたは不安定性を補正し、一方、前記マシンビジョンカメラの折り畳まれた光学系は、前記シンチレータの光子放出の画像をそのアクティブエリアにわたってストリーミングし、
前記コンピュータシステムは、前記マシンビジョンカメラのデジタル画像出力を、同一条件で得られた、前記薄型シンチレータの、過去に保存されたデジタル画像出力と比較することで、経時的なシステム安定性をモニタリングし、パフォーマンスの小さな変化に対して前記システムを内部較正し、予めプログラミングされたガイドラインに従い前記シンチレータの構成要素の変更が必要なときに信号で知らせる、または、その他のハードウェアもしくはソフトウェア問題が検出されたときにフラグを立てる、方法。
【請求項２１】
前記ＵＶ光源は、ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み、前記ＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）は、前記シンチレータの強力な吸収領域に対応する発光ピークを含み、シンチレータ発光領域における光出力が最小である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記折り畳まれた光学系は、各ＵＶ−ＬＥＤ光源にきわめて近接して光学的に結合された１つのＵＶバンドパスフィルタをさらに備え、前記ＵＶバンドパスフィルタは、前記ＵＶ−ＬＥＤ光源からの最大発光のスペクトル領域において最大スペクトル透過率を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電離放射線ビームを外照射療法によるがんの治療に対して最適化するステップをさらに含み、電子、陽子、イオンもしくは中性子の粒子ビーム、または、Ｘ線もしくはガンマ線の光子ビームのうちの一方を含む、請求項２０に記載の方法。
【国際調査報告】
2021525899.tif 000064
2021525899.tif 000065