JP5339551B2

JP5339551B2 - 遮蔽型放射線治療・画像化複合装置、及び、その制御プログラム

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Publication number: JP5339551B2
Application number: JP2011505698A
Authority: JP
Inventors: 泰賀山谷; 拓稲庭; 文彦錦戸; 秀雄村山
Original assignee: National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: WO2010109586A1; JPWO2010109586A1; EP2412404A1; US20120150018A1

Description

本発明は、Ｘ線や粒子線を患部に照射して行う放射線治療において、放射線（ビームともいう）照射によって照射野から生じる消滅放射線を検出するためのモニタリングに際して、ビーム照射によって生じる核破砕片の検出器への入射を低減して、照射直後あるいは照射中にも消滅放射線を計測し、照射野を３次元的に画像化できる遮蔽型放射線治療・画像化複合装置、及び、その制御プログラムに関する。

癌の早期診断に有効と注目されている陽電子放射断層撮像法（ＰＥＴ）は、極微量の陽電子放出核種で標識した化合物を投与し、体内から放出される消滅放射線を検出することで、糖代謝等、代謝機能を画像化し、病気の有無や程度を調べる検査法であり、これを実施するためのＰＥＴ装置が実用化されている。

ＰＥＴの原理は次のとおりである。陽電子崩壊によって陽電子放出核種から放出された陽電子が周囲の電子と対消滅し、それによって生じる一対の５１１ｋｅＶの消滅放射線を、対の放射線検出器で同時計数の原理によって測定する。これにより、核種の存在位置を、対の検出器同士を結ぶ１本の線分（同時計数線）上に特定することができる。患者の頭から足の方向に向かう軸を体軸と定義すると、体軸と垂直に交わる平面上の核種の分布は、その平面上において様々な方向から測定された同時計数線のデータから、２次元画像再構成によって求められる。

よって、初期のＰＥＴ装置は、視野とする平面上に、視野を囲むように密に検出器をリング状に配置したシングルリング型検出器から構成されていた。その後、多数のシングルリング型検出器を体軸方向に密に配置したマルチリング型検出器の登場によって、２次元の視野が３次元化された。更に１９９０年代に入ると、検出器リング間においても同時計数測定を行うことによって、感度を大幅に高めた３ＤモードのＰＥＴ装置の開発が盛んに行われ、現代に至っている。

一方、ＰＥＴ診断等で発見された癌に対する治療の役割も重要である。外科手術や薬物治療とは異なる方法として、Ｘ線やガンマ線などの放射線を患部に照射する放射線治療がある。特に、重粒子線や陽子線を癌の部位に絞って照射する粒子線治療は、優れた治療効果と鋭い患部集中照射特性を併せ持つ方法として、大きな注目を集めている。粒子線の照射方法としては、患部に形状を合わせるようにして照射するビームを広げる従来のボーラス照射に加えて、ペンシルビームを患部形状などに合わせて走査させるスポットスキャニング照射が研究されている。いずれも、別途撮影したＸ線ＣＴ画像などに基づいて綿密に計算された治療計画に従って、照射ビームの方向や線量を精密に制御して行う。

治療計画に正確に従った治療を実現するためには、患者の位置決めの精度が鍵となる。照射野の位置決めはＸ線画像に基づいて行われることが多いが、一般にＸ線画像では腫瘍と正常組織のコントラストが十分ではなく、腫瘍そのものを認識した位置合わせは困難である。このような患者セットアップ時の照射野位置ずれに加え、治療計画作成時から腫瘍の大きさが変化したり、呼吸などによって腫瘍位置が変動したりする問題も指摘されている。しかし現状は、治療計画通りの照射が行われたかどうかを正確に確認することは難しく、もし実際の照射野が治療計画からずれてしまったとしても、それを検知することは容易ではない。

上記の問題を解決するために、ＰＥＴの方法を用いて、照射野をリアルタイムに画像化する方法が注目されている。これは、ＰＥＴ薬剤を投与するのではなく、粒子線ビーム照射やＸ線照射において、入射核破砕反応、標的核破砕反応や光核反応を通して生じる消滅放射線をＰＥＴの原理を用いて画像化する方法である。消滅放射線の発生位置が、照射ビームの線量分布と強い相関性を持つため、治療モニターが可能であるとされる（W. Enghardt、他、”Charged hadron tumour therapymonitoring by means of ＰＥＴ、” Nucl. Instrum. Methods A 525、 pp. 284−288、2004。S. Janek、他、“Development of dose delivery verification by ＰＥＴ imaging of photonuclear reactions following high energy photon therapy，”Phys. Med. Biol.誌、vol. 51 (2006) pp. 5769-5783）。さらに重粒子線治療においては、¹²Ｃなど通常の安定核の代わりに、¹¹Ｃなど陽電子放出核を直接照射することによって、消滅放射線の発生位置と線量分布のミスマッチをなくすと共にＰＥＴ画像のＳ／Ｎ比を高めることが可能になる。

照射野をリアルタイムに画像化するＰＥＴ（以下、ビームオンラインＰＥＴと称する）のための装置要件は、以下の４点に集約される。
１．検出器が治療ビームを遮らないこと。
２．検出器が核破砕片（入射粒子と標的核との衝突で生じる荷電粒子や中性子）によって性能低下しないこと。
３．ＰＥＴ画像の高精度化および患者拘束時間の短縮化のために、短寿命ＲＩを効率よく計測できるよう、照射直後もしくは照射中からもＰＥＴ計測が可能であること。
４．照射野を３次元的に画像化できること。

前記要件２については、核破砕片が検出器に入射すると、検出器を構成するシンチレータ自身が放射化してしまい、計測対象である消滅放射線を数え落としたり、位置情報に誤差を与えたりする恐れがある。なお、核破砕片としては、重粒子線照射では荷電粒子と中性子の両者が発生するが、陽子線照射では中性子が支配的になると考えられる。いずれも、核破砕片は治療ビームに対し前方指向性を持って生成されるが、広い角度を伴うことが報告されている（N. Matsufuji, et al., "Spatial fragmentation distribution from a therapeutic pencil-like carbon beam in water," Physics in Medicine and Biology 50 (2005) 3393-3403、S. Yonai, et al., "Measurement of neutron ambient dose equivalent in passive carbon-ion and proton radiotherapies," Medical Physics 35 (2008) 4782-4792）。

前記要件３については、放射線照射によって生成される核種の半減期は数十秒から２０分程度と非常に短いことに加え、血流などの影響によって生体内で核種が移動してしまうことから、照射中の即時ＰＥＴ計測が求められる。

ドイツのＧＳＩ研究所及び国立がんセンター東病院では、平面型の２つのＰＥＴ検出器を治療装置のベッドを挟むように設置する対向ガンマカメラ型ＰＥＴ装置を用いて、ビームオンラインＰＥＴを試行している（Ｐ．Ｃrespo、他、“Ｏn the detector arrangement for in-beam ＰＥＴ for hadron therapy monitoring，”Ｐhys．Ｍed．Ｂiol．誌、vol．51（2006）pp．2143−2163、Ｔ．Nishio、他、“Dose-volume delivery guided proton therapy using beam ON-LINE PET system、”Med．Phys．誌、vol．33（2006）pp．4190−4197）。この対向ガンマカメラ型装置は、ビーム経路から遠ざけて検出器を配置できるため、要件１、２および３を満足する。しかし、計測できる同時計数線の方向が大きく偏り画像再構成に必要な情報が欠損するため、検出器面に対して垂直方向の分解能が著しく低下してしまい、要件４を満たすことはできない。

治療ビームの照射装置自体が患者の周囲を回転する回転型治療ガントリ上に、対向ガンマカメラ型ＰＥＴを搭載する方法も提案されているが（特開２００８−２２９９４、特開２００８−１７３２９９）、多方向から連続的にビーム照射するような希少例を除いて、対向ガンマカメラ型ＰＥＴを回転できるのはビーム照射後となってしまい、要件３を満たすことはできない。

治療ビームを通す隙間を有し、且つＰＥＴ装置を回転させることなく３次元の画像化が可能な方法として、出願人は、図１に示すように、患者８の体軸方向に２分割したマルチリング型検出器２２、２４を離して配置し、物理的に開放された視野領域（開放視野とも称する）を有する開放型ＰＥＴ装置を提案している（Ｔaiga Ｙamaya，Ｔaku Ｉnaniwa，Ｓhinichi Ｍinohara，Ｅiji Ｙoshida，Ｎaoko Ｉnadama，Ｆumihiko Ｎishikido，Ｋengo Ｓhibuya，Ｃhih Ｆung Ｌam and Ｈideo Ｍurayama，“Ａproposal of an open ＰＥＴ geometry，”Ｐhy．Ｍed．Ｂiol．，53，pp．757-773，2008．）。開放視野は、分割された双方の検出器リング２２、２４間の同時計数線から、画像が再構成される。図において、１０はベッド、１２はベッドの架台、２６はガントリカバー、３０は照射ポートである。この開放型ＰＥＴ装置は、要件１、３および４を満足するが、開放視野の幅が十分でなければ、照射ポート３０から開放視野に入射した治療ビーム３２によって生じる核破砕片３４が開放視野両端の検出器に入射してしまう。よって、治療強度が極端に強い場合、検出器が放射化してしまい、要件２を満たさなくなる恐れがある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ビーム照射に伴って生じる核破砕片の検出器への入射を低減して、照射直後あるいは照射中にも消滅放射線を計測し、照射野を３次元的に画像化できるようにすることを課題とする。

図２は、核破砕片３４が検出器に入射する状況を図示したものである。Ｗｃは、核破砕片３４の検出器への入射粒子数が許容値を超える範囲（以下、危険領域と称する）を示す。検出器リング２０の中心から見た見込み角をθcとすると、Ｗｃとの関係は、
θc＝２sin^-1（Ｗｃ／(２Ｒ)）
で表される。ここで、Ｒは検出器リング２０の半径である。図２は、体軸に垂直な平面を図示しているが、体軸方向（Ｚ軸方向と称する）にも、同様に見込み角θcをもって核破砕片が散乱する。

そこで本発明は、核破砕片を遮蔽する構造物（遮蔽体と称する）を、ビーム照射のオンオフに合わせて動作させ、ビーム照射中は、核破砕片の検出器への入射を低減するようにする。

ここで、遮蔽体の要件は以下の通りである。
１．照射中の画像化用計測を実現するために、遮蔽体がカバーする範囲は最小限に留め、少なくとも遮蔽されていない検出器で画像化用計測できるようにする。
２．さらに、遮蔽体の材質や厚みは、検出器の放射化を許容値以下に抑える一方で、多少でも計測対象である消滅放射線が透過できるよう、最適化することが望ましい。
３．また、遮蔽体の材質や厚みは均一でもよいが、核破砕片の前方散乱性を考慮し、散乱角が大きくなるに従って、遮蔽効果を低減させるような設計が好ましい。
４．遮蔽体の移動を高速化し、またメカニズムを簡略化するためには、遮蔽体が軽量であることが重要である。上記で述べた遮蔽体のサイズや材質の最適化は、遮蔽体の軽量化にもつながる。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、放射線照射によって患部から生じる放射線を測定し得るように検出器が配設され、該検出器の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に照射野の画像化を行う画像化装置を含む放射線治療・画像化複合装置であって、放射線を被検体の該画像化装置の視野に位置する部位に向けて照射する放射線治療装置と、前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の飛翔空間に設けた、該核破砕片の検出器への入射を緩和するための、前記飛翔空間を出入り可能な遮蔽体と、該遮蔽体の出入りを制御する制御手段とを備え、放射線照射時に前記遮蔽体が前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記遮蔽体が前記飛翔空間から退避するようにして、前記課題を解決したものである。

また、本発明は、被検体から生じる一対の消滅放射線を同時計数測定し得るように被検体の周りに検出器群が配設され、該検出器群の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に被検体の断層撮影を行うＰＥＴ装置を含む放射線治療・画像化複合装置であって、放射線を被検体の該ＰＥＴ装置の視野に位置する部位に向けて照射する放射線治療装置と、前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の飛翔空間に設けた、該核破砕片の検出器への入射を緩和するための、前記飛翔空間を出入り可能な遮蔽体と、該遮蔽体の出入りを制御する制御手段とを備え、放射線照射時に前記遮蔽体が前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記遮蔽体が前記飛翔空間から退避するようにして、前記課題を解決したものである。

また、前記遮蔽体が回転運動を行うようにすることができる。

また、前記遮蔽体が往復運動を行うようにすることができる。

また、照射ポートの位置に応じて前記遮蔽体を回動するようにすることができる。

また、前記遮蔽体およびその駆動部をベッドと一体化することができる。

また、前記遮蔽体の材質もしくは厚みを核破砕片の散乱角度に応じて変えるようにすることができる。

また、本発明は、放射線照射によって患部から生じる放射線を測定し得るように検出器が配設され、該検出器の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に照射野の画像化を行う画像化装置を含む放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムであって、前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の検出器への入射を緩和するように、該核破砕片の飛翔空間に設けた、該飛翔空間を出入り可能な遮蔽体を、放射線照射時に前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記飛翔空間から退避するように制御することを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムを提供するものである。

また、本発明は、被検体から生じる一対の消滅放射線を同時計数測定し得るように被検体の周りに検出器群が配設され、該検出器群の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に被検体の断層撮影を行うＰＥＴ装置を含む放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムであって、前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の検出器への入射を緩和するように、該核破砕片の飛翔空間に設けた、該飛翔空間を出入り可能な遮蔽体を、放射線照射時に前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記飛翔空間から退避するように制御することを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムを提供するものである。

本願発明によれば、Ｘ線や粒子線を患部に照射して行う放射線治療において、放射線照射によって照射野から生じる消滅放射線を検出するためのモニタリングに際して、ビーム照射に伴って生じる核破砕片の検出器への入射を低減して、照射直後あるいは照射中にも消滅放射線を計測し、照射野を３次元的に画像化できる。

出願人が提案した開放型ＰＥＴ装置を示す正面図及び側面図従来の問題点を示す側面図本発明の第１実施形態を示す側面図及び正面図第１実施形態でビーム照射と遮蔽体の出し入れを同期させる構成を示すブロック図本発明によるビーム照射に同期した遮蔽体動作の代表的な手順を示すフローチャート第１実施形態でビーム照射のオンオフと遮蔽体動作を同期させる様子を示すタイムチャート本発明の第２実施形態を示す側面図第２実施形態でビーム照射と遮蔽体の出し入れを同期させる構成を示すブロック図第２実施形態の一例の手順を示すフローチャート第２実施形態の他の例の手順を示すフローチャート第２実施形態でビーム照射のオンオフと遮蔽体動作を同期させる様子を示すタイムチャート本発明の第３実施形態を示す側面図第３実施形態でビーム照射のオンオフと遮蔽体動作を同期させる様子を示すタイムチャートＰＥＴ検出器リングを斜めに配置した例を示す平面図水平・垂直の２つの照射ポートに対応した例を示す側面図及び正面図同じく動作を示す図水平・垂直の２つの照射ポートに対応したもう一つの例を示す側面図及び正面図同じく動作を示す図回転照射ガントリに対応した例を示す側面図及び正面図同じく動作を示す図遮蔽体をベッドに内蔵した例を示す側面図及び正面図同じく動作を示す図円弧型のエンドシールドを遮蔽体として設置した例を示す側面図及び正面図同じく動作を示す図遮蔽体回転型の一例を示す側面図及び正面図同じく他の例を示す側面図及び正面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、照射直後に遮蔽体４０を退避させて、全ての検出器で高感度にＰＥＴ計測ができるようにした遮蔽体退避型の典型例である。遮蔽体４０の形状や、格納方法については、後述する実施例に例示するとおり、様々なパターンが在りえる。また、図３では垂直照射1門の例を図示しているが、水平・垂直の２門照射や、照射ポートが回転する回転ガントリの照射システムにも適用できる。

図４は、ビーム照射と遮蔽体４０の出し入れを同期させる仕組みを図示したものである。治療ビーム３２の照射タイミングは、加速器制御システム５２によって制御される。遮蔽体制御システム６０は、加速器制御システム５２から受け取る照射情報に従って、遮蔽体４０を出し入れする制御を行う。遮蔽体制御システム６０は、現在の遮蔽体４０の位置情報を加速器制御システム５２に送る機能も持つ。図において、５４はシンクロトロンである。

検出器、例えばＰＥＴ検出器で検出された消滅放射線のシングルイベントデータは、同時計数回路４４にて同時計数線を特定するコインシデンスデータに変換され、データ収集システム４６に順次保存される。そして、一定時間の計測データを蓄積した後、画像再構成システム４８にて画像再構成演算を行い、表示・保存システム５０に照射野の画像を表示したり保存したりする。計測データを蓄積する時間幅を時間フレームと呼ぶ。基本的に、ＰＥＴ計測データの処理系は、加速器制御システム５２や遮蔽体制御システム６０と関わることなく、計測データの処理や収集を続けていてよいが、コインシデンスデータに遮蔽***置信号を含めるなどして、画像再構成の際に、データの取捨選択や感度補正が正しくできるようにする必要がある。

図５は、ビーム照射に同期した遮蔽体動作の代表的な手順を示したものである。遮蔽体制御システム６０は、照射準備命令を取得する（ステップ１００）と、遮蔽体４０を既定の遮蔽位置に移動させ（ステップ１０２）、加速器制御システム５２は、遮蔽体設置完了の情報を取得する（ステップ１０４）と、照射を開始する（ステップ１０６）。遮蔽体制御システム６０は、照射終了の情報を取得する（ステップ１０８）と、直ちに遮蔽体４０の退避を行う（ステップ１１０）。照射を分割して行う場合は、一連の照射が終了して治療が終了するまで（ステップ１１２）、上記で述べた遮蔽体設置→照射→遮蔽体退避を繰り返す。

図６は、照射のオンオフと遮蔽体動作を同調させる様子を示す。照射オンの間は遮蔽体が既定位置に設置されていなくてはならない。ＰＥＴ計測自体は、照射や遮蔽体の動作とは独立して、常に計測を続けていてよいが、照射中、すなわち遮蔽体が一部検出器を覆っている場合は、その検出器の感度が大幅に低下してしまうため、照射中の計測データは同時計数線が限定される部分データとなる。よって、照射終了後は、できるだけ即時に遮蔽体を退避させて、同時計数線の欠損がない完全データを多く取得することが望ましい。

ＰＥＴ計測は、常にコインシデンスデータを収集しつづけ、後から指定した時間フレーム分のデータを取り出して画像再構成する。あるいは、先に時間フレームを指定し、指定した時間フレーム分のみ、ＰＥＴ計測するようにしてもよい。同時計数線の欠損や消滅放射線の計測カウント数低下によって画像が劣化する場合は、時間フレームを長く設定して、計測データのＳＮ比を高めればよい。なお、照射中に照射野からは、消滅放射線のほかに、即発性のガンマ線が放出されることが知られており、ＰＥＴ計測にとってはノイズ成分となる偶発同時計数を高めてしまう。この対策法としては、照射中にもマイクロ秒オーダーのオン／オフ周期性があることに着眼して、オン状態における計測データは除外し、オフ状態における計測データのみを画像再構成に利用する方法が提案されている（P. Crespo, et al., "Suppression of random coincidences during in-beam PET measurements at ion beam radiotherapy facilities," IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 52, NO. 4, AUGUST 2005）。あるいは、照射中の画像化は行わずに、照射直後の画像化のみに限定することも可能である。

粒子線の照射方法としては、患部に形状を合わせるようにビームを広げて照射する従来のボーラス照射に加えて、ペンシルビームを患部形状などに合わせて走査させるスポットスキャニング照射が研究されているが、本発明は、どちらの照射方式にも対応できる。シンクロトロンは、ビーム照射のオンオフが周期的に繰り返される間欠運転が基本となる。よって、遮蔽体の出し入れは、照射周期に合わせてもよいし、一連の照射が終了した段階で遮蔽体を格納してもよい。後者は、スポットスキャニング照射において計画されている、周期的な照射ではなく、シンクロトロンから連続的にビームを取り出すケースにも対応する。

図７に、遮蔽体を退避させるのではなく、検出器リングに沿って円弧状の遮蔽体４０を回転させた第二実施形態（遮蔽体回転型）を示す。これは、ビーム照射のオンオフが周期的に繰り返される周期照射に限定した方法であり、ビーム照射と遮蔽体回転を同期させることによって、検出器への核破砕片の入射を低減することができる。短い照射周期に遮蔽体の出し入れを合わせて行う場合、遮蔽体回転型のほうが、遮蔽体退避型よりも、機械的な負担を小さく出来る。

具体的には、一対の遮蔽体が患者の体軸であるＺ軸に対して対向するように配置され、照射ポート３０とは独立して、Ｚ軸を中心にして回転する機構を持つ。検出器リングは開放空間を隔ててＺ方向に２本存在するため、一対の遮蔽体４０も２組存在し、同じ回転周期・位相で回転する。Ｚ軸から見て、各々の遮蔽体４０の見込み角をθｓとすると、遮蔽体で覆われていない検出器に対する見込み角θdは、θｄ＝１８０°−θｓで表される。

図８は、ビーム照射と遮蔽体４０の回転を同期させる仕組みを図示したものである。治療ビーム３２の照射周期は、加速器制御システム５２によって制御される。遮蔽体制御システム６０は、加速器制御システム５２から受け取る同期信号に遮蔽体回転が同調するように、モーター制御装置６２に回転制御信号を送る。遮蔽体４０の位置や回転速度に関する情報は、回転センサー６４から遮蔽体制御システム６０に逐一送信される。ＰＥＴ計測のデータの流れは、図４と同様である。

図９は、遮蔽体回転に同期したビーム照射の代表的な手順を示したものである。遮蔽体制御システム６０は、照射準備命令を取得する（ステップ１００）と、シンクロトロンの運転周期と遮蔽体回転が同調するように調整を行う（ステップ２０２）。そして、照射と遮蔽体回転の同期が成立する（ステップ２０４）と、危険領域に位置する検出器の全てが遮蔽体４０に覆われている時のみに照射を行う回転同期照射（ステップ２０６）を繰り返す。

図９は、照射・回転同期が安定して成立しているという前提において、回転同期照射は加速器制御システム５２が制御するフローを示したが、例えば遮蔽体回転が安定しない場合などは、図１０に示すように、遮蔽体制御システム６０が、遮蔽***置を確認して照射タイミング情報を加速器制御システム５２に送り（ステップ２０８）、照射（ステップ２１０）するようにしてもよい。

図１１は、ビーム照射と遮蔽体回転を同期させて、検出器に核破砕片が入射するのを低減する様子を図示したものである。危険領域に位置する検出器の全てが遮蔽体に覆われている時のみ治療ビーム照射を行うようにする。治療ビームは、ti秒の照射のあとts秒休止する、Ｔ＝ｔｉ＋ｔｓ秒周期で運転されているとする。遮蔽体４０は、２Ｔ秒で一回転するとする。このとき、遮蔽体サイズに関わるパラメータであるθdの条件について、以下に述べる。まず、θdの下限値は、遮蔽体軌道半径をＲ’、ＰＥＴ視野半径をrとすると、
θd≧２sin^-1（ｒ／Ｒ’）
となる。一方、θdの上限値は、
θd ≦ ts / T×180°− θc
となる。θｓは、θｓ＝１８０°−θdである。なお、遮蔽体回転型では、照射のオンオフに寄らず、常に遮蔽体が検出器を覆うため、取得できる同時計数線は常に限定されてしまう。画像再構成には、さまざまな角度からの同時計数線が必要であるため、画像化できる時間フレームの最小値は、遮蔽体の１８０度回転に相当するＴ秒の照射クロックとなる。

放射線医学総合研究所の重粒子線がん治療装置（ＨＩＭＡＣ）では、Ｔ＝３．３秒周期で治療ビーム制御を行っている。ここでは、ＨＩＭＡＣへの適用を前提として、本発明の説明を行う。遮蔽体軌道半径Ｒ’＝５０ｃｍ、ＰＥＴ視野半径ｒ＝２０ｃｍとすると、θdの下限値はθd ≧４７．２°である。次に、照射時間ｔｉおよび危険領域幅Ｗｃを変化させた場合の、θdの上限値を表１に示す。ｔｓ＝３．３−ｔｉである。なお、上限値が下限値を下回る場合は、装置として成立しない（表中、不可と表示）。現実的には、ＰＥＴ装置感度を高めるために、最大のθd（すなわち最小のθｓ）を採用することが望ましい。

本例は、照射ポートが１つの場合であったが、本発明は、例えば垂直方向と水平方向など、複数の照射ポートを持つ場合にも対応できる。通常、複数照射ポートから同時に治療ビーム照射を行うことはない。よって、ビーム照射を行うポートの移動に合わせて、遮蔽体回転の位相またはビーム照射の位相を相対的に変化させればよい。回転型照射ガントリの場合でも、同様である。

図１２に、遮蔽体回転型において、対ではなく単独の遮蔽体を回転させる第３実施形態を示す。開放空間を隔てたＺ軸方向に２本の検出器リングにおいて、それぞれの遮蔽体４０は、同じ回転周期・位相で制御される。同じく、θｓは遮蔽体４０の見込み角であるが、遮蔽体４０で覆われていない検出器に対する見込み角は、θｄ＋１８０°である。

図１３は、ビーム照射と遮蔽体回転を同期させて、検出器に核破砕片が入射するのを低減する様子を図示したものである。同じく、治療ビームは、ti秒の照射のあとts秒休止する、Ｔ＝ｔｉ＋ｔｓ秒周期で運転されているとし、危険領域に位置する検出器の全てが遮蔽体に覆われている時のみ治療ビーム照射を行うようにするが、遮蔽体はＴ秒で一回転する必要がある。まず、θｓの上限値は、遮蔽体軌道半径をＲ’、ＰＥＴ視野半径をrとすると、
θｓ≦２cos^-1（ｒ／Ｒ’）
となる。一方、θｓの下限値は、
θｓ≧ ti / T×360°+ θc
となる。

同じく、ＨＩＭＡＣへの適用を前提として、θｓの検討を行う。遮蔽体軌道半径Ｒ’＝５０ｃｍ、ＰＥＴ視野半径ｒ＝２０ｃｍとすると、θｓの上限はθｓ≦１３２．８°である。次に、照射時間ｔｉおよび危険領域幅Ｗｃを変化させた場合の、θｓの下限値を表２に示す。ｔｓ＝３．３−ｔｉである。なお、上限値が下限値を下回る場合は、装置として成立しない（表中、不可と表示）。現実的には、ＰＥＴ装置感度を高めるために、最小のθｓを採用することが望ましい。表１のケースと比較して、ビーム照射周期Ｔが同じ場合、遮蔽体の回転速度が2倍になるため、より短い照射時間ｔｉが求められる。

なお、本発明（遮蔽体退避型および遮蔽体回転型）は、開放型ＰＥＴ装置以外にも適用することができる。図１４は、通常のＰＥＴ装置を斜めに配置した先行例である（Ｐ．Ｃrespo、他、“Ｏn the detector arrangement for in-beam ＰＥＴ for hadron therapy monitoring，”Ｐhys．Ｍed．Ｂiol．誌、vol．51（2006）pp．2143−2163）。ビーム照射経路は確保されているが、図に示すように核破砕片３４が検出器に入射してしまう。これに対して、少なくとも照射中は、核破砕片が入射する位置に遮蔽体を設置すれば、検出器への核破砕片入射を低減できる。遮蔽体は、ビームのオンオフに合わせて、退避するようにしてもよいし、ビームオンオフが周期的に繰り返される場合は、遮蔽体を検出器リング内で回転させるようにしてもよい。

また、画像化装置は必ずしもＰＥＴ装置である必要はなく、ガンマカメラによるＳＰＥＣＴ装置などでもよい。その場合、消滅放射線の他、即発性のガンマ線も信号として計測することが可能になると考えられる。

以下、具体的な実施例について述べる。図１５および図１６は、水平・垂直の２つの照射ポート３０、３１に対応した、遮蔽体退避型の一例である。遮蔽体４０は、核破砕片３４の散乱角に応じて厚みが変わるようにしてある。各々の検出器リングに、それぞれ一つずつ回転方向レール７０上に乗った遮蔽体４０が内蔵されている。図は、垂直照射時の遮蔽***置を表しているが、水平照射時は、遮蔽体が９０°回転する構造になっている。一方、遮蔽体４０は、回転方向レール７０ごと、Ｚ方向にもスライドする機構になっており、照射オン→オフに合わせて、遮蔽体４０の格納を行う。図において、７２はレールガイド、７４はモータ、７６はワイヤ、７８はプーリ、８０は治療室の床面に設置されるレール、８２は台車である。なお、照射ポートが1箇所のみに固定されている場合は、遮蔽体の回転機構は不要である。

図１７および図１８は、同じく水平・垂直の２つの照射ポート３０、３１に対応した、遮蔽体退避型のもう一つの例であるが、各々の検出器リングに、それぞれ２つずつ遮蔽体４０を内蔵することで、遮蔽体４０の回転機構を省いて簡略化した構成となっている。図において、８４はＺ軸方向レールである。この構成においても、照射ポートが1箇所のみに固定されている場合は、遮蔽体は各々の検出器リングにおいて１つずつでよい。

図１９、図２０は、回転照射ガントリに対応した構成であり、各々の検出器リングにそれぞれ一つ遮蔽体４０が内蔵されている。遮蔽体４０は、回転レール７０上で３６０°回転でき、また回転レール７０内でＺ方向にもスライドする。照射ポート３０の移動に合わせて、対向側に遮蔽体４０を移動すると共に、照射のオン→オフに合わせて、遮蔽体４０を退避する。図において８６はベルトである。

図２１、図２２は、遮蔽体４０をガントリに内蔵する代わりに、ベッド１０に内蔵した構成である。遮蔽体を照射野近傍に設置できるため、遮蔽体を小型化、軽量化できるメリットがある。遮蔽体４０は、垂直照射用と、水平照射用に別れており、それぞれＺ方向にスライドする機構を持つ。この構成においても、照射ポートが1箇所のみに固定されている場合は、遮蔽体の数を省いてよい。

図２３、図２４は、遮蔽体をＺ軸に平行に配置するのではなく、円弧型のエンドシールド４１を遮蔽体として設置した構成を示す。図２３は、垂直照射における遮蔽体４１の位置を示している。遮蔽体４１は、矢印Ｂの方向に回動できるようになっており、水平照射の場合は、照射ポート３１に対向する位置４１Ａに移動する。この例では、検出器の前面に、複雑な機械装置を設置する必要がないため、消滅放射線の検出感度が高まるほか、患者ポートを広く設計することも可能になる。レール８７上を重力方向に沿って退避するため、照射後に迅速に遮蔽体を除去できる。図において、８８はおもり、９０はフックである。

図２５、図２６は、遮蔽体回転型で、それぞれ各々の検出器リングにおいて、遮蔽体４０が１つ（図２５）又は２つ（図２６）の例の構成を示す。図２５の例では、遮蔽体４０に対向する位置に円弧状のおもり８８が設けられている。図において、９２はボールベアリングである。

産業上の利用の可能性

Ｘ線や粒子線を患部に照射して行う放射線治療において、放射線照射によって照射野から生じる消滅放射線を検出するためのモニタリングに際して、ビーム照射に伴って生じる核破砕片の検出器への入射を低減して、照射直後あるいは照射中にも消滅放射線を計測し、照射野を３次元的に画像化できる。

Claims

放射線照射によって患部から生じる放射線を測定し得るように検出器が配設され、該検出器の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に照射野の画像化を行う画像化装置を含む放射線治療・画像化複合装置であって、
放射線を被検体の該画像化装置の視野に位置する部位に向けて照射する放射線治療装置と、
前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の飛翔空間に設けた、該核破砕片の検出器への入射を緩和するための、前記飛翔空間を出入り可能な遮蔽体と、
該遮蔽体の出入りを制御する制御手段とを備え、
放射線照射時に前記遮蔽体が前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記遮蔽体が前記飛翔空間から退避するようにされていることを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
被検体から生じる一対の消滅放射線を同時計数測定し得るように被検体の周りに検出器群が配設され、該検出器群の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に被検体の断層撮影を行うＰＥＴ装置を含む放射線治療・画像化複合装置であって、
放射線を被検体の該ＰＥＴ装置の視野に位置する部位に向けて照射する放射線治療装置と、
前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の飛翔空間に設けた、該核破砕片の検出器への入射を緩和するための、前記飛翔空間を出入り可能な遮蔽体と、
該遮蔽体の出入りを制御する制御手段とを備え、
放射線照射時に前記遮蔽体が前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記遮蔽体が前記飛翔空間から退避するようにされていることを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
前記遮蔽体が回転運動を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
前記遮蔽体が往復運動を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
照射ポートの位置に応じて前記遮蔽体を回動することを特徴とする請求項１又は２に記載の遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
前記遮蔽体およびその駆動部がベッドと一体化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
前記遮蔽体の材質もしくは厚みを核破砕片の散乱角度に応じて変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の遮蔽型放射線治療・画像化複合装置。
放射線照射によって患部から生じる放射線を測定し得るように検出器が配設され、該検出器の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に照射野の画像化を行う画像化装置を含む放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムであって、
前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の検出器への入射を緩和するように、該核破砕片の飛翔空間に設けた、該飛翔空間を出入り可能な遮蔽体を、放射線照射時に前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記飛翔空間から退避するように制御することを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置の制御プログラム。
被検体から生じる一対の消滅放射線を同時計数測定し得るように被検体の周りに検出器群が配設され、該検出器群の視野へ照射される放射線に同期して照射後あるいは照射中に被検体の断層撮影を行うＰＥＴ装置を含む放射線治療・画像化複合装置の制御プログラムであって、
前記放射線照射により被検体から照射方向前方へ飛翔する核破砕片の検出器への入射を緩和するように、該核破砕片の飛翔空間に設けた、該飛翔空間を出入り可能な遮蔽体を、放射線照射時に前記飛翔空間にあり、放射線照射後、速やかに前記飛翔空間から退避するように制御することを特徴とする遮蔽型放射線治療・画像化複合装置の制御プログラム。