Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 TUP080

2 次元ビームスキャニングのためのリアルタイム線量分布蛍光モニターの開発
DEVELOPMENT OF A REAL-TIME DOSE-DISTRIBUTION FLUORESCENCEMONITOR FOR TWO-DIMENSIONAL BEAM SCANNING
山野下莉那 A), 福田光宏 A), 小泉雅彦 B), 高階正彰 B), 依田哲彦 A), 神田浩樹 A), 中尾政夫 A),原周平 A), 岸上裕加子 B), 佐川友啓 B), Huiwen Koay A), 安田裕介 A), 鎌倉恵太 A)
Rina YamanoshitaA), Mitsuhiro FukudaA), Masahiko KoizumiB), Masaaki TakashinaB),
Tetsuhiko YoritaA), Hiroki KandaA), Masao NakaoA), Shuhei HaraA), Yukako KishigamiB),
Tomohiro SagawaB), Huiwen KoayA), Yuusuke YasudaA), Keita KamakuraA)A)
RCNP, Osaka University
B)
Department of Medical Physics & Engineering, Graduate School of Medicine and Health Science, Osaka University

Abstract
We have been developing a new beam scanning system for particle therapy which was named “Spiral Beam Scanning”.
In this system, we need to know how precisely a lateral two-dimensional particle density distribution is formed in everylayer according to the treatment protocol. In general, an ionization chamber or a secondary electron emission monitor isused to measure uniformity of a particle density distribution required for particle therapy. In our study, we evaluatedlateral flatness and penumbra by offline analysis of a particle density distribution using a GAFCHROMIC film. With thismethod, however, we have to wait about 24 hours after irradiation to stabilize the darkness of the film, which is unsuitablefor immediate evaluation of uniformity of the particle density distribution. In order to improve the rapidity of the analysis,
we got started developing a real-time fluorescence monitor for quick optimization of the scanning system parameters toform the particle density distribution with high flatness and small penumbra.

1.

はじめに

2.

大阪大学核物理研究センター（RCNP）では、粒子線治療における正常組織への照射を軽減するための次世代型のビームスキャニング法 “スパイラルビームスキャニング”の開発を行っている[1][2]。この開発を行うにあたり、これまで、詳細な粒子密度分布の評価にはGAFCHROMIC フィルムを用いてオフラインで解析していたが、この方法ではフィルムの黒化度が安定するまで、照射後数十時間待つ必要があり、ビームスキャニングシステムのパラメータを変えた時の粒子密度分布の均一性を評価するには不向きであった。そこで、我々は、均一な粒子密度分布形成の迅速化のために、その場でスキャニングシステムの最適化調整を行い、形成された粒子密度分布の均一性や照射野辺縁部のはみ出し精度をリアルタイムで把握することのできる蛍光モニターの開発を行っている。この蛍光モニターは、ハイスピードカメラを用いてビームスポットの変位を画像で記録し、粒子密度分布に比例した蛍光量を逐次積分していくことによって 2 次元的な粒子密度分布の評価を可能とするものである[3]。今回の照射試験では、1nA 以下の微小ビー
ム電流においても感度の高い DRZ 蛍光板（三菱ケミカル社製）を用いて粒子密度分布を得るためのハイスピードカメラの撮影条件や、蛍光板の種類に応じた最適なビーム強度などを探るとともに、実際にスパイラルビームスキャニング照射を行い、本システムの粒子密度分布評価への適合性と有用性を検討した。

実験装置及び実験方法

Figure 1 に蛍光モニター試験用ビーム照射システムの概念図を示す。今回の照射では、RCNP 加速器施設のAVF サイクロトロンで加速された 53 MeV の陽子ビームを用いた。減速体にはポリエチレン板と、水と同等の密度を持つタフウォーターを用い、ブラッグピークの立ち上がり部分が、ガフクロミックフィルムと DRZ 蛍光板の位置になるようにポリエチレン板とタフウォーターの厚さをそれぞれ 15mm と 2mm に決めた。その下流側に詳細な粒子密度 分 布 を 評 価 す る た め の GAFCHROMIC フ ィ ル ム（ASHLAND 社製 EBT-3）と、DRZ 蛍光板を重ねて設置した(Figure1)。GAFCHROMIC フィルムは、吸収線量に応 じ て 黒 化 度 が 変 化 す る 。 ハ イ ス ピ ー ド カ メ ラ （ nacIMAGE TECHNOLOGY 社製 MEMRECAM Q1v）はビームラインの下流側斜め方向 400m の位置に設置し、望遠レンズを用いて蛍光板からの発光を撮影した。

___________________________________________# rina.yamanoshita@rcnp.osaka-u.ac.jp- 552 -Figure 1: Schematic drawing of the irradiation system.

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2.1

Table 2: Parameters of the Irradiation
F8, F16
Ｆ値（カメラのしぼり）

蛍光板

蛍光板は、三菱ケミカル社製 DRZ-High, DRZ-Plus,PI200 (: )を用いた。Table 1 に今回用いた蛍光板の一覧を示す。使用する蛍光体の感度の差により、発光量とビーム電流値の関係の違いを調べるため、蛍光体層の厚さの異なるものを照射試料とした。
:
は、イオンビーム用の蛍光体として多く利用されているアルミナ蛍光板と比較して、残光が数 ms と短く、また発光感度が高く、1pA/cm オーダーの低強度ビームで発光するため、粒子線治療における実ビームをそのまま用いて測定することが可能であることから、リアルタイム計測には最適であると考えられる。

フレームレート fps（1秒あたりのコマ数）

100, 250, 500, 1000, 2000

Beam attenuator の減弱率

1/100, 1/100, 1/1000

Beam kicker 電極の印
加電圧

0V, 10V, 20V, 30V, 40V

ビーム照射時間

0.12〜5 秒

蛍光板の種類DRZ-High, DRZ-Plus,
PI200（三菱ケミカル社製）

Table 1: Type of Fluorescent Screen
DRZ-Plus

DRZ-High

PI200

100%

132%

162%

MTF

0.36

0.160.11蛍光体層の厚さ（mg/cm2）

100

145200蛍光板の種類RelativeBrightness

2.2

ハイスピードカメラ

カメラは、ナックイメージテクノロジー社製の超高感度ハイスピードカメラ Q1V を用いた。特徴としては、高感度であること、超小型であること、撮影速度が速いこと（1 秒1000 コマ以上）などが挙げられる。今回の実験では、感度の高さを重視するため、モノクロ撮影を行った（ISO160,000）。粒子密度分布を取得するため、陽子ビームを蛍光板に照射し、その発光をハイスピードカメラにて、10bit のモノクロ画像として連続的に撮影した。
2.3

3.

照射結果

3.1

ビームスポット

Figure 2 は PI200 蛍光板に照射したビームスポットを撮影した画像と、X 方向の断面図と Y 方向の断面図をガウス分布でフィッティングしたグラフである。照射条件
は、attenuator 1/1000、Beam kicker 電圧 10V(50pA)、fps100、しぼり F8 である。分散値 σ の値はそれぞれ1.2、0.86であり、X 方向に長い楕円のビームスポットである。GAFCHROMIC フィルムに照射して得られた黒化度分布の分散値はそれぞれ1.38、0.78であり、蛍光板に照射したビームをカメラで撮ったものと GAFCHROMIC フィルムに照射したビームスポットはほとんど一致している。
(a)

(b)

ビーム照射条件の変更DRZ 蛍光板を用いて粒子密度分布を得るための適切なカメラの撮影条件、蛍光板の種類に応じた最適なビーム強度の条件を取得するために、様々なパラメータの組み合わせの条件で照射を行った。カメラにおいては、しぼりの F 値と撮影のフレームレート fps(1 秒あたりのコマ数)を変えながら照射を行った。一方で、AVF から輸送されるビーム電流は 70nA ほどであったが、ビーム強度を桁で変更するために beam attenuator（多孔金属シート）をAVF サイクロトロンの入射ラインに挿入し、さらに平行平板電極に印加する電圧を変化させて入射ビームを偏向させる beam kicker を用いて、蛍光板の発光量が適切になるようにビーム強度の調節を行った。ビーム電流は、ターゲットの上流にあるファラデーカップで測定した。照射時間は、20 秒間隔の kicker 電圧パルスの Duty を変えることによって変更した。

(c)

Figure 2: (a) Beam spot on a PI200 fluorescent screenirradiated with a 53 MeV proton beam. The image wasobtained by a high speed camera Q1v. The cross-sectionalview of the particle density distribution along the X axis(b) and Y axis (c). The solid lines show Gaussian fittingresults.

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照射条件の変更による輝度の変化

Figure 3 はカメラの fps を変更したときの DRZ-High 蛍
光板での輝度の変化を示したものである。この時、1/100attenuator を用い、電流値は 0.72nA に固定した。しぼりは F8 と F16 の二種類を用いた。グラフでプロットした輝度の値は、ぞれぞれの画像で輝度が最大の座標を平均して求め、その座標の周り 9 点のピクセル値を平均して最大輝度を簡易的に算出したものである。

Figure 5: Dependence of the brightness on a beam current
for PI200 Fluorescent screens.

Figure 3: Dependence of the brightness on FPS for theDRZ-High Fluorescent screen.

Figure 6 は DRZ 蛍光板(a)と PI200 蛍光板(b)での照射時間を変更したときの輝度の変化を示したグラフである。DRZ 蛍光板での照射条件は attenuator 1/1000、(87pA)、fps100、しぼり F16 である。一方で、PI200 蛍光板での照射条件は attenuator 1/1000 と 1/10 (6pA)、fps100、しぼり F8 である。DRZ 蛍光板と PI200 蛍光板のどちらにおいても照射時間と輝度は比例することを確認できた。

fps が大きくなると、一枚あたりの露光時間が減るた
め、輝度は fps に反比例する。また、しぼりを大きくすると取り込む光の量が減るため、輝度は小さくなる。
Figure 4, 5 は DRZ 蛍光板と PI200 蛍光板での、Attenuator や Beam kicker によりビームの強度を変更したときの輝度の変化を示したものである。ビーム強度が大きくなると輝度は飽和してくるため、正確に粒子密度分布を測定するためには、輝度が飽和しない領域のビーム強度を用いる必要がある。また、今回の実験で使用した三種類の蛍光板のうち、最も感度の高い PI200 蛍光板では数十 pA の電流でも測定可能であることが確認できた。さらに、高強度のビームを当て過ぎると、蛍光板の劣化による発光量の減衰が見られたため、感度の良い蛍光板を用いる際には注意が必要である。

(a)

(b)

Figure 6: Dependence of the brightness on irradiation timefor DRZ-High (a) and PI200 (b) Fluorescent screens.
Green lines show the linear fitting result.
3.3
Figure 4: Dependence of the brightness on a beam current
for DRZ-High Fluorescent screens.

スパイラルビームスキャニング照射

蛍光板の利用可能な電流強度領域にあるビーム強度、また飽和しないカメラの条件で真円形状のスパイラルビームスキャニング照射を行った。最も感度の高い PI200
蛍光板を用い、ビームやカメラの照射条件は、fps 100、F8、Attenuator 1/1000 と 1/10 (6nA)とした。また、スキャニ- 554 -

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ングの照射条件は、最大周波数30Hz、回転数30mm 、 最 小 半 径50 、 最 大 半 径0.3mm 、走査速度 v = 56.5mm/s であった。但し、走査軌道間隔と走査速度は常に一定である。
Figure 7 に蛍光板を用いて測定した粒子密度分布の解析結果と、同時にビームを照射した GAFCHROMICフィルムの解析結果を示す。蛍光板では、ビームスポットの変位をハイスピードカメラの画像で記録し、粒子密度分布に比例した蛍光量を逐次積分していくことにより分布を形成した。
GAFCHROMIC フィルムで測定した粒子密度分布を、蛍光板で再現できることを確認した。Figure 8 にはそれぞれの分布の X 方向の断面図を示す。均一度は、
GAFCHROMIC フィルムでは 5.0%であるのに対して、蛍光板では断面以外の点での輝度のばらつきがあるた
め、 13.9%と高くなった。均一度の計算範囲は 50%線量の位置において、２の内側の領域とした。

(a)

(b)

(a)

Figure 8: The cross-sectional view of the particle density
distributions along an X axis obtained from a
GAFCHROMIC film(a) and a Fluorescent screen(b).

4.

まとめ

DRZ 蛍光板と超高感度ハイスピードカメラを用いてリアルタイムに粒子密度分布を得るための蛍光モニターの開発を行った。
ビームスポットの変位をハイスピードカメラの画像で連続的に記録し、粒子密度分布に比例した蛍光量を逐次積分していくことにより、GAFCHROMIC フィルムで測定した粒子密度分布を蛍光モニターでも再現することができた。また、DRZ 蛍光板を用いて粒子密度分布を得るた
めの適切なカメラの撮影条件、蛍光板の種類に応じた最適なビーム強度の条件を明らかにした。
今後は、画像処理の迅速化と測定精度の向上を両立させ、さらなるリアルタイム化を目指すことが必要である。
また、蛍光板が劣化しないように、撮影条件とビームの照射条件を最適化することが求められる。さらに、深さ方向の線量分布も考慮し、レイヤー毎のビームスキャニングの最適化に活用していく。

(b)

Figure 7: Two-dimensional particle density distribution
obtained by the spiral scanning of a 53-MeV proton beam.
(a) A darkness distribution on a GAFCHROMIC film. (b)A particle density distribution obtained from a Fluorescentscreen and a high speed camera.

参考文献[1] M. Fukuda et al., “Simulation of Spiral Beam Scanning for
Uniform Irradiation on a Large Target”, NIM A396(1997)45.
[2] S. Hara ,修士論文 ”粒子線システムのための Spiral Beam
Scanning システムの開発研究”.
[3] Y. Yuri et al., “Investigation of phosphor materials for thereal-time measurement of the transverse intensity- 555 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, JapanPASJ2017 TUP080

distribution of large-area ion beams at the JAEA AVF
cyclotron facility”, Proceedings of the 12th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, August 5-7,2015,
Tsuruga, Japan.

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