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PARTICLE BEAM MONITORING APPARATUS, PARTICLE BEAM MONITORING PROGRAM, AND PARTICLE BEAM MONITORING METHOD

Patent code P120007952
File No. S2011-0475
Posted date Sep 28, 2012
Application number P2011-036461
Publication number P2012-170655A
Patent number P5721135
Date of filing Feb 22, 2011
Date of publication of application Sep 10, 2012
Date of registration Apr 3, 2015
Inventor
  • (In Japanese)山口 充孝
  • (In Japanese)河地 有木
  • (In Japanese)佐藤 隆博
  • (In Japanese)神谷 富裕
  • (In Japanese)鳥飼 幸太
  • (In Japanese)中野 隆史
  • (In Japanese)荒川 和夫
  • (In Japanese)島田 博文
  • (In Japanese)高橋 忠幸
  • (In Japanese)渡辺 伸
  • (In Japanese)国分 紀秀
Applicant
  • Gunma University
  • Japan Aerospace Exploration Agency
  • (In Japanese)国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
Title PARTICLE BEAM MONITORING APPARATUS, PARTICLE BEAM MONITORING PROGRAM, AND PARTICLE BEAM MONITORING METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a particle beam monitoring apparatus capable of monitoring the data related to the behavior of a particle beam in a real time, a particle beam monitoring program and a particle beam monitoring method.
SOLUTION: The particle beam monitoring apparatus (1) includes a detection part (11) for detecting the radiation data of the impulse radiation from electrons receiving the action from the particle beam incident on an irradiation body corresponding to the positional relation of the irradiation body and a calculation part (31) for calculating the data related to the behavior of the particle beam in the irradiation body from the radiation data of the impulse radiation corresponding to the detection part (11). Since the impulse radiation is prompt, extraordinarily larger than nuclear reaction in reaction probability and detected, for example, as a continuous energy spectrum distribution strongly correlated with ion energy, the data related to the behavior of the particle beam can be monitored in a real time.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

我が国において放射線がん治療技術は「がんを切らずに治す」をスローガンとし、線量を病巣に集中させ、周辺正常組織の損傷をできるだけ小さくすることにより治療成績の飛躍的な改善を実現してきた。最先端の放射線がん治療においては、患部に大線量を照射しつつ正常組織線量を飛躍的に低減させる「粒子線治療」が用いられるようになり、高度X線治療でも達成出来なかった治療成績の改善が実現されようとしている。これは、陽子線や重粒子線などの粒子線共通の性質である、「線量の患部集中性」に由来している。加えて、重粒子線は体内でのイオンの直進性が優れているため、進行方向からのイオンの逸脱が減少し、イオン進行方向に対し動径方向の線量集中性にも優れ、重要組織に接している患部病巣或いは微小な病巣部位を精密にピンポイントで照射することが可能となり、この特徴を生かした次世代治療法としてイオンマイクロサージェリー治療技術の確立が期待されている。

上記に示した病巣部位を精密にピンポイントで粒子線を照射するための加速器又はビーム技術として、ビームを細く集束させたペンシルビーム形成やマイクロビーム形成技術などが既に開発されている。しかしながら、現在の粒子線モニタリング技術では、リアルタイムで粒子線の体内到達深度をモニタすることができないため、イオンマイクロサージェリー治療技術の確立を困難にしている。

また、照射治療中の病巣部位のエネルギー付与分布(即ち線量分布)のリアルタイムモニタ技術が開発されていないため、物理的又は化学的手法によるファントムの膨大な線量計測データを基に、綿密な治療計画とその実験的及び臨床的に蓄積されてきたデータをベースに治療が行われている。現状、治療計画及びQA(Quality Assurance)において必ず
エネルギー付与分布が事前に確認され、治療照射中はビーム等のモニタの変動が無ければ、そのエネルギー分布が再現され、維持されているものとして放射線治療が実施されている。エネルギー付与分布のリアルタイムモニタリング技術の実現は、病巣部位が確実に照射されていることを確認及び実証しながら治療することが可能となり、信頼性確保という観点から医学的にきわめて大きな意味を持つ。

さらに、粒子線治療照射中に体内中空洞領域における粘液の予測不能な充填や排出が生じた場合、これらは、エネルギー付与分布やイオンの到達深度の変化として治療計画からの逸脱として悪影響を及ぼす。そのため、エネルギー付与分布や到達深度を粒子線の照射中にリアルタイムで観察することの恩恵は非常に大きい。

現状では、粒子線のモニタリング手法として、非特許文献1及び2で挙げられる、イオンと体内原子核との核反応によって生ずる陽電子放出核種(O-15, C-11 等)由来のガン
マ線である陽電子消滅ガンマ線を観測し、照射位置を推定する手法が模索されている(以降、自己放射化法と呼ぶ)。しかし、陽電子放出核種の生成反応は、イオンと体内中の原子核との一次反応だけでなく、一次反応で発生した中性子による二次反応を経由して生成されるものも多く、全体として複雑多岐にわたる反応経路を経由している。そのため、発生量および生成場所を推定するためには、核反応を含めたモンテカルロシミュレーション
が必要になる。これにより、陽電子分布からエネルギー付与分布を再現することは、複雑な核反応を含むモンテカルロシミュレーションを遡る解析を要するという問題点を持つ。

また、陽電子放出核種の発生からガンマ線(例えば、511keVのガンマ線)の放出までには、核種崩壊寿命に由来する数十秒~数十分の時間差が存在するため、治療終了後からPET(positron emission tomography)又はCT(Computed Tomography)が測定終了するまでに数分から数十分必要となる。陽電子放出核種は、この時間差の間、生体が有する代謝機能により体内を移動する。これにより、陽電子放出核種の発生位置とガンマ線の放出位置とにずれが生じてしまうという問題が生じる。この問題は、代謝によるウォッシュアウト効果と呼ばれており、エネルギー付与分布予測を複雑にする因子の一つとなる。

粒子線モニタリング法における測定量は、例えば、粒子線到達深度及びエネルギー付与分布である。前述の自己放射化法では、これら粒子線到達深度及びエネルギー付与分布のモニタリング手法としても研究が進められている。しかしながら、自己放射化法において、これら粒子線到達深度及びエネルギー付与分布をリアルタイムにモニタリングすることは困難である。なぜなら、自己放射化法において生成される陽電子放出核種は、一般的に反応確率の非常に小さい原子核反応を経由して生成されるという問題点を持つからである。このため、自己放射化法において、粒子線到達深度又はエネルギー付与分布の推測に要するデータを収集するために時間がかかってしまう。具体的には、放射線治療において、粒子線到達深度又はエネルギー付与分布の推測に要するデータが得られるのは治療終了後であり、治療中にリアルタイムモニタリングを行うことは困難である。更に、最先端治療として期待されている重粒子線では、治療に用いるイオンの照射量が、陽子線の場合の10分の1程度と少なく、十分なデータを得るのはさらに困難である。

また、前述したように、生成反応の複雑さや、代謝によるウォッシュアウト効果に起因して、粒子線到達深度及びエネルギー付与分布といった量を導出することには困難が伴う。ウォッシュアウト効果を回避する手法としては、これまでに、粒子線と体内原子核との原子核反応により生ずる励起原子核からの即発ガンマ線を観測する方法(以降、核脱励起法と呼ぶ)が非特許文献3において提案されている。

しかし、核脱励起ガンマ線もまた原子核反応を経由するため発生数が少なく、リアルタイムモニタリングは困難である。自己放射化法では、2本の陽電子消滅線が同時に発生するため、PETやそれに類似したガンマ線対測定によるイメージング装置を用いることがで
きるが、核脱励起法では、発生するガンマ線は1本であるため、同様の装置は使用できない。体内物質を構成する原子核は水素、炭素、酸素などの軽い原子核であるため、核脱励起ガンマ線のエネルギーは数MeV以上の高いものに限られ、このような高エネルギーの単
一ガンマ線に対するイメージング装置が必要になる。これを満たす唯一の装置としてコンプトンカメラが提案されているが、高エネルギーガンマ線に対するコンプトンカメラの検出効率は、陽電子消滅によるガンマ線等の検出効率に比べて非常に低く、粒子線到達深度及びエネルギー付与分布を推測するのに十分なデータを測定するのは困難である。

ここで、エネルギー付与分布のモニタリングは、「体内物質密度」及び「イオンエネルギー」の両者を、直接的に測定する手法を指す。従来法である自己放射化法では、陽電子消滅線は単一エネルギー(511keV)であるため、測定物理量としては消滅線の強度のみである。また、エネルギー付与と消滅線強度は、双方とも「体内物質密度」に比例し、「イオンエネルギー」に強く依存する。これらを考慮すると、陽電子消滅法では、エネルギー付与分布をモニタリングするために、体内中での「イオンエネルギー」を仮定することが必要になり、エネルギー付与分布のモニタリングを直接行うことは不可能であるという問題点が存在する。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、加速器等により照射される粒子線の挙動に関する情報を取得する粒子線モニタリング装置、粒子線モニタリングプログラム及び粒子線モニタリング方法の技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出する検出部と、
前記検出部により検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出する算出部と、
を備えたことを特徴とする粒子線モニタリング装置。

【請求項2】
 
前記粒子線の挙動に関する情報は、前記粒子線の到達深度であることを特徴とする請求項1に記載の粒子線モニタリング装置。

【請求項3】
 
前記粒子線の挙動に関する情報は、前記粒子線のエネルギー付与分布であることを特徴とする請求項1に記載の粒子線モニタリング装置。

【請求項4】
 
前記粒子線は、入射エネルギーが単一であるモノクロビーム、又は、拡大ブラッグピークビームであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の粒子線モニタリング装置。

【請求項5】
 
コンピュータに、
照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出するステップと、
前記検出するステップにより検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出するステップと、
を実行させるための粒子線モニタリングプログラム。

【請求項6】
 
コンピュータが
照射体に入射した粒子線から作用を受けた電子からの制動輻射の放射線情報を、照射体の位置関係に応じて検出するステップと、
前記検出するステップにより検出された位置関係に応じた制動輻射の放射線情報から、照射体中における粒子線の挙動に関する情報を算出するステップと、
を実行することを特徴とする粒子線モニタリング方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011036461thum.jpg
State of application right Registered
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