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JP2010032451A - Particle beam irradiation system - Google Patents

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JP2010032451A
JP2010032451A JP2008197185A JP2008197185A JP2010032451A JP 2010032451 A JP2010032451 A JP 2010032451A JP 2008197185 A JP2008197185 A JP 2008197185A JP 2008197185 A JP2008197185 A JP 2008197185A JP 2010032451 A JP2010032451 A JP 2010032451A
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particle beam
gamma ray
irradiation
signal
detector
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JP2008197185A
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Japanese (ja)
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Taisuke Takayanagi
泰介 高柳
Yusuke Fujii
祐介 藤井
Yoshihiko Nagamine
嘉彦 長峯
Kazuo Hiramoto
和夫 平本
Rintaro Fujimoto
林太郎 藤本
Toru Umekawa
徹 梅川
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

【課題】複数の種類の粒子線を照射可能な粒子線照射システムにおいて、粒子線の照射位置を確認する手段を一種類の機器で提供する。
【解決手段】複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、粒子線を照射対象に出射する照射装置と、照射装置から出射された粒子線に基づいて照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器203a,203bと、ガンマ線検出器からのガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置209と、信号処理装置209で即発ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号から前記粒子線の照射野を求め、前記対消滅ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号から前記粒子線の照射野を求める照射野確認装置を備える。
【選択図】図2
In a particle beam irradiation system capable of irradiating a plurality of types of particle beams, a means for confirming the irradiation position of the particle beam is provided by one type of device.
A particle beam generating device that generates a plurality of types of particle beams, an irradiation device that emits particle beams to an irradiation target, and gamma rays generated from the irradiation target are detected based on the particle beams emitted from the irradiation device. A plurality of gamma ray detectors 203a and 203b, a signal processing device 209 for discriminating whether the gamma ray detection signal from the gamma ray detector is caused by an prompt gamma ray or a pair annihilation gamma ray, and the signal processing device 209 are judged to be caused by the prompt gamma ray. An irradiation field confirmation device for obtaining an irradiation field of the particle beam from the gamma ray detection signal and obtaining the irradiation field of the particle beam from the gamma ray detection signal determined to be caused by the pair annihilation gamma ray.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、複数種の粒子線を照射可能な粒子線照射システムに関する。   The present invention relates to a particle beam irradiation system capable of irradiating a plurality of types of particle beams.

がん患者に対し陽子線などの荷電粒子ビームを照射することで、がんを治療する方法が知られている。荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射室の照射装置に達し、照射装置により分布を拡大し、患者の体内で患部形状に適した照射野を形成する。   A method for treating cancer by irradiating a cancer patient with a charged particle beam such as a proton beam is known. The charged particle beam accelerated by the charged particle beam generation device reaches the irradiation device in the irradiation chamber through the beam transport system, and the distribution is expanded by the irradiation device to form an irradiation field suitable for the shape of the affected part in the body of the patient.

その際、照射野が所望の位置に形成されたことを確認する手段として、照射野に生成する陽電子放出核種からのガンマ線を、ポジトロン断層法(PET)により測定する方法が用いられている[非特許文献1,特許文献1]。特許文献1では、荷電粒子ビームを患者の患部に照射し、照射後に停止した位置から放射されるガンマ線を検出し、PET装置で画像処理することで照射位置をモニターしている。さらに、荷電粒子ビームの照射野を確認する別の手段として、照射野に生成される炭素,酸素,窒素の励起原子核から発生する即発ガンマ線をガンマカメラを用いて測定する方法も提唱されている[非特許文献2]。   At that time, as a means for confirming that the irradiation field has been formed at a desired position, a method is used in which gamma rays from positron emitting nuclides generated in the irradiation field are measured by positron tomography (PET) [non- Patent Document 1, Patent Document 1]. In Patent Document 1, a patient is irradiated with a charged particle beam, gamma rays emitted from a position stopped after irradiation are detected, and the irradiation position is monitored by image processing with a PET apparatus. Furthermore, as another means of confirming the irradiation field of the charged particle beam, a method of measuring prompt gamma rays generated from excited nuclei of carbon, oxygen, and nitrogen generated in the irradiation field using a gamma camera has been proposed [ Non-patent document 2].

特開平9−189769号公報JP-A-9-189769 J. Pawelke et al.,「In-Beam PET imagin for the Control of Heavy-Ion Tumour THerapy」IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 No.4 (1997)J. Pawelke et al., “In-Beam PET imagin for the Control of Heavy-Ion Tumor THerapy” IEEE Trans. Nucl. Sci. 44 No. 4 (1997) Chul-Hee Min and Chan Hyeong Kim et al.,「Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy」Appl. Phys. let. 89 183517 (2006)Chul-Hee Min and Chan Hyeong Kim et al., `` Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy '' Appl. Phys. Let. 89 183517 (2006) Kaita Parodi, et al.,「PET/CT imaging for treatment verification after proton therapy: A study with plastic phantom and metallic implants」Med. Phys. 34 419 (2007)Kaita Parodi, et al., “PET / CT imaging for treatment verification after proton therapy: A study with plastic phantom and metallic implants” Med. Phys. 34 419 (2007)

荷電粒子ビームとして炭素線を用いた場合を考える。炭素線を照射対象(ガンの患部等)に照射することで照射野内に生成される陽電子放射核種の分布は、炭素線の照射位置と強い相関を持つ。PET装置は、対消滅ガンマ線の検出を通して陽電子放射核種の位置を高い空間分解能で特定できる。従って、炭素線を用いた粒子線治療システムでは、照射位置を確認する手段として、PET装置を用いた対消滅ガンマ線の測定が的確である。   Consider the case where a carbon beam is used as the charged particle beam. The distribution of positron emitting nuclides generated in the irradiation field by irradiating the irradiation target (such as an affected part of a cancer) with a carbon beam has a strong correlation with the irradiation position of the carbon beam. The PET apparatus can identify the position of the positron emitting nuclide with high spatial resolution through detection of pair annihilation gamma rays. Therefore, in a particle beam therapy system using a carbon beam, measurement of annihilation gamma rays using a PET apparatus is appropriate as a means for confirming the irradiation position.

一方、荷電粒子ビームとして陽子線を用いた場合は、陽子線の照射により生成される陽電子放射核種の分布と陽子線の照射位置との相関が弱い。このため、対消滅ガンマ線を測定して、陽子線の照射位置を確認することは難しい[非特許文献3]。しかしながら、陽子線の照射により生成されるガンマ線放射核種の分布は、陽子線の照射位置と強い相関を持つ。ガンマ線放射核種から発生する即発ガンマ線をPETで測定しても、ガンマ線放射核種の位置は特定できない。しかしながら、コンプトンカメラ(CPT)は即発ガンマ線の飛来方向を特定できるため、ガンマ線放射核種の位置を特定できる。従って、陽子線の照射位置を確認する手段としては、CPTを用いた即発ガンマ線の測定が的確である。   On the other hand, when a proton beam is used as the charged particle beam, the correlation between the distribution of positron emitting nuclides generated by proton irradiation and the irradiation position of the proton beam is weak. For this reason, it is difficult to confirm the irradiation position of the proton beam by measuring pair annihilation gamma rays [Non-patent Document 3]. However, the distribution of gamma-ray radionuclides generated by proton beam irradiation has a strong correlation with the proton beam irradiation position. Even if prompt gamma rays generated from gamma-ray radionuclides are measured by PET, the position of gamma-ray radionuclides cannot be specified. However, since the Compton camera (CPT) can specify the direction of the prompt gamma ray, the position of the gamma ray nuclide can be specified. Therefore, as a means for confirming the irradiation position of the proton beam, prompt gamma ray measurement using CPT is appropriate.

このように、被照射体中における粒子線の照射位置を的確に確認するためには、粒子の種類に応じて異なる装置・手段が必要である。従って、異なる種類の粒子線を照射できる粒子線照射システムにおいては、粒子線の照射位置を確認するために複数の機器を用意する必要がある。こうした機器数の増加に伴って照射前後に行われる機器のセッティングや機器保全に必要な時間が増大し、操作者の負担になることが懸念されていた。   Thus, in order to accurately confirm the irradiation position of the particle beam in the irradiated body, different devices and means are required depending on the type of particle. Therefore, in a particle beam irradiation system that can irradiate different types of particle beams, it is necessary to prepare a plurality of devices in order to confirm the irradiation position of the particle beam. With such an increase in the number of devices, there is a concern that the time required for device setting and device maintenance performed before and after the irradiation will increase, which will be a burden on the operator.

本発明の特徴は、複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置と、信号処理装置で即発ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号が入力されると、ガンマ線検出信号から第1の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、対消滅ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号が入力されると、ガンマ線検出信号から第2の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求める照射野確認装置を備えることにある。   A feature of the present invention is based on a particle beam generator that generates a plurality of types of particle beams, an irradiation device that emits particle beams generated by the particle beam generator to an irradiation target, and a particle beam emitted from the irradiation device A plurality of gamma ray detectors for detecting gamma rays generated from the irradiation target, a signal processing device for determining whether a gamma ray detection signal output from the gamma ray detector is caused by prompt gamma rays or pair annihilation gamma rays, and a signal processing device; When a gamma ray detection signal determined to be caused by an prompt gamma ray is input, the generation position of the prompt gamma ray based on the first particle beam is obtained from the gamma ray detection signal, and the gamma ray detection signal determined to be caused by a pair annihilation gamma ray is input. Then, there is an irradiation field confirmation device for obtaining a generation position of a pair annihilation gamma ray based on the second particle beam from the gamma ray detection signal.

複数の種類の粒子線を照射可能な粒子線照射システムにおいて、粒子線の照射位置を確認するための適切な手段を、照射する粒子によらず1種類の機器で提供する。粒子線の照射位置を確認するために必要な機器の増大を抑えることができ、操作者の負担を軽減できる。   In a particle beam irradiation system capable of irradiating a plurality of types of particle beams, an appropriate means for confirming the irradiation position of the particle beam is provided by one type of device regardless of the particles to be irradiated. An increase in equipment necessary for confirming the irradiation position of the particle beam can be suppressed, and the burden on the operator can be reduced.

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の好適な一実施例である、粒子線照射システムの1種である陽子・炭素線照射システムを図1を用いて説明する。陽子・炭素線照射システムは、陽子・炭素線発生装置101,ビーム輸送装置102および回転式照射装置103を有する。   A proton / carbon beam irradiation system which is a kind of particle beam irradiation system, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG. The proton / carbon beam irradiation system includes a proton / carbon beam generation apparatus 101, a beam transport apparatus 102, and a rotary irradiation apparatus 103.

陽子・炭素線発生装置101は、イオン源(図示せず)、前段加速器(例えば線形加速器)101a及びシンクロトロン101bを有する。イオン源は陽子イオンと炭素イオンを発生し、照射毎に発生するイオンの種類を変更できる。イオン源で発生した陽子イオンもしくは炭素イオンは、まず前段加速器101aで加速され、前者は陽子線、後者は炭素線となる。前段加速器101aから出射された陽子線もしくは炭素線は、シンクロトロン101bで所定のエネルギーまで加速された後、出射用デフレクタ102aからビーム輸送装置102のビーム経路102bに出射される。   The proton / carbon beam generator 101 includes an ion source (not shown), a pre-stage accelerator (for example, a linear accelerator) 101a, and a synchrotron 101b. The ion source generates proton ions and carbon ions, and can change the type of ions generated for each irradiation. Proton ions or carbon ions generated in the ion source are first accelerated by the former accelerator 101a, and the former becomes a proton beam and the latter becomes a carbon beam. The proton beam or carbon beam emitted from the front stage accelerator 101a is accelerated to a predetermined energy by the synchrotron 101b and then emitted from the deflector for emission 102a to the beam path 102b of the beam transport device 102.

ビーム経路102bを経て、陽子線もしくは炭素線は回転式照射装置103に導かれる。回転式照射装置103は、回転ガントリー(図示せず)及び照射野形成装置(以下、照射ノズル)104を有する。照射ノズル104は回転ガントリーに設置され、回転ガントリーの回転と共に回転する。また、ビーム経路102bの一部は、回転ガントリーに取り付けられている。   A proton beam or a carbon beam is guided to the rotary irradiation device 103 through the beam path 102b. The rotary irradiation device 103 includes a rotating gantry (not shown) and an irradiation field forming device (hereinafter referred to as irradiation nozzle) 104. The irradiation nozzle 104 is installed in the rotating gantry and rotates with the rotation of the rotating gantry. A part of the beam path 102b is attached to the rotating gantry.

回転式照射装置103に導かれた陽子線もしくは炭素線は、照射ノズル104を通過し、患者カウチ106に横たわる患者105のがん患部に照射される。患者105が粒子線の照射を受ける部屋を、照射室と呼ぶ。   The proton beam or carbon beam guided to the rotary irradiation device 103 passes through the irradiation nozzle 104 and is irradiated to the cancer affected part of the patient 105 lying on the patient couch 106. A room where the patient 105 is irradiated with the particle beam is referred to as an irradiation room.

図2を用いて、照射室の詳細な構成を説明する。照射室には、1対のロボットアーム201a,201bが備わっている。ロボットアーム201a,201bの先端には、それぞれコンプトンカメラ(CPT)203a,203bが設置されている。CPT203a,203bに接続された信号処理装置209が、情報処理装置(コンピュータ)210に接続される。ロボットアーム201a,201bは自由度を持った可動部202a,202bを備えており、患者カウチ204に横たわる患者205に対して、自由な位置及び角度でCPT203a,203bを設置できる。ロボットアーム201a,201bの可動部202a,202bは、モーター(図示せず)で駆動する。モーターの駆動を制御するため、ロボットアーム201a,201bには駆動制御装置206が備わる。駆動制御装置206には、ロボットアーム201a,201bを操作するためのユーザーインターフェース(図示せず)が備わっている。   The detailed configuration of the irradiation chamber will be described with reference to FIG. The irradiation chamber is provided with a pair of robot arms 201a and 201b. Compton cameras (CPT) 203a and 203b are installed at the tips of the robot arms 201a and 201b, respectively. A signal processing device 209 connected to the CPTs 203a and 203b is connected to an information processing device (computer) 210. The robot arms 201a and 201b include movable portions 202a and 202b having degrees of freedom, and the CPTs 203a and 203b can be installed at a free position and angle with respect to the patient 205 lying on the patient couch 204. The movable parts 202a and 202b of the robot arms 201a and 201b are driven by a motor (not shown). In order to control the drive of the motor, the robot arms 201a and 201b are provided with a drive control device 206. The drive control device 206 includes a user interface (not shown) for operating the robot arms 201a and 201b.

本実施例では、ロボットアーム201a,201bに搭載されるガンマ線検出器としてコンプトンカメラ(CPT)を用いた。CPTはコンプトン散乱を利用したガンマ線検出器で、ガンマ線のエネルギー,検出器におけるガンマ線の入射位置,検出器から見たガンマ線源の位置を特定できる。さらに、CPTは、高エネルギーのガンマ線を検出できる。
ガンマ線のエネルギー,検出器におけるガンマ線の入射位置,検出器から見たガンマ線源の位置を特定でき、かつ高エネルギーのガンマ線を検出可能ならば、CPT以外の他のガンマ線検出器でも同様の効果が得られる。
In this embodiment, a Compton camera (CPT) is used as a gamma ray detector mounted on the robot arms 201a and 201b. The CPT is a gamma ray detector using Compton scattering, and can identify the energy of gamma rays, the incident position of gamma rays at the detector, and the position of the gamma ray source viewed from the detector. Furthermore, CPT can detect high energy gamma rays.
If the gamma ray energy, the incident position of the gamma ray at the detector, the position of the gamma ray source viewed from the detector can be specified, and a high energy gamma ray can be detected, the same effect can be obtained with other gamma ray detectors other than CPT. It is done.

第1のCPT203aは、原子番号の小さい素材で構成された第1検出器207aと、原子番号の大きい素材で構成された第2検出器208aを有する。第2のCPT203bは、原子番号の小さい素材で構成された第1検出器207bと、原子番号の大きい素材で構成された第2検出器208bを有する。第1検出器207a,207bの役割は、入射したガンマ線にコンプトン散乱を発生させること、コンプトン散乱の発生位置を特定すること、発生した散乱電子の全運動エネルギーを測定することである。第2検出器208a,208bの役割は、第1検出器207a,207bで散乱を受けたガンマ線の全エネルギーを測定すること、第2検出器208a,208bにおける散乱ガンマ線の入射位置を測定することである。従って、CPT203a,203bでガンマ線を測定するためには、第1検出器207a,207b、第2検出器の順番でガンマ線が入射しなくてはいけない。こうした理由から、第1検出器207a,207bがガンマ線源に対して向けられ、第2検出器208a,208bがガンマ線源から見て第1検出器207a,207bの後方に配置する。即ち、第1検出器207a,207bが粒子線治療を受ける患者205に対して向けられ、第2検出器208a,208bは粒子線治療を受ける患者205から見て第1検出器207a,207bの後方に配置する。   The first CPT 203a includes a first detector 207a made of a material having a small atomic number and a second detector 208a made of a material having a large atomic number. The second CPT 203b includes a first detector 207b made of a material having a small atomic number and a second detector 208b made of a material having a large atomic number. The roles of the first detectors 207a and 207b are to generate Compton scattering in the incident gamma rays, to specify the generation position of Compton scattering, and to measure the total kinetic energy of the generated scattered electrons. The roles of the second detectors 208a and 208b are to measure the total energy of the gamma rays scattered by the first detectors 207a and 207b, and to measure the incident positions of the scattered gamma rays at the second detectors 208a and 208b. is there. Therefore, in order to measure gamma rays with the CPTs 203a and 203b, the gamma rays must be incident in the order of the first detectors 207a and 207b and the second detector. For these reasons, the first detectors 207a and 207b are directed toward the gamma ray source, and the second detectors 208a and 208b are disposed behind the first detectors 207a and 207b when viewed from the gamma ray source. That is, the first detectors 207a and 207b are directed toward the patient 205 receiving the particle beam therapy, and the second detectors 208a and 208b are located behind the first detectors 207a and 207b when viewed from the patient 205 receiving the particle beam therapy. To place.

一般的なCPTは、第1検出器でコンプトン散乱を起こす確率がさほど大きくない。従って、第1検出器でコンプトン散乱を起こさなかったガンマ線が、第2検出器に直接入射して検出される場合がある。その場合、第2検出器におけるガンマ線の入射位置とエネルギーは判別可能だが、入射角度までは判別できない。従って、CPT単体でガンマ線源の方向を特定できない。CPT単体でガンマ線源の方向を特定するためには、第1散乱体でコンプトン散乱を起こす事が条件である。   In general CPT, the probability of causing Compton scattering in the first detector is not so great. Therefore, gamma rays that have not caused Compton scattering in the first detector may be incident directly on the second detector and detected. In that case, the incident position and energy of the gamma rays in the second detector can be discriminated, but the incident angle cannot be discriminated. Therefore, the direction of the gamma ray source cannot be specified by the CPT alone. In order to specify the direction of the gamma ray source with a single CPT, it is necessary to cause Compton scattering in the first scatterer.

回転ガントリーを用いない固定式の照射装置でも、回転式照射装置を用いた本実施例と同等の効果が得られる。また、本実施例では図1に示した陽子・炭素線発生装置101に用いられる加速器としてシンクロトロンを用いたが、サイクロトロンやライナックなどといった荷電粒子線加速器でも、本実施例と同等の効果が得られる。   Even with a fixed irradiation device that does not use a rotating gantry, the same effects as in the present embodiment using the rotating irradiation device can be obtained. In this embodiment, a synchrotron is used as the accelerator used in the proton / carbon beam generator 101 shown in FIG. 1. However, a charged particle beam accelerator such as a cyclotron or a linac can obtain the same effect as this embodiment. It is done.

次に、患者体内における粒子線の照射位置を確認する原理について述べる。   Next, the principle of confirming the irradiation position of the particle beam in the patient will be described.

高エネルギーの粒子線が物質に入射すると、粒子線が物質中の原子核を励起し、ガンマ線放射核種を多数生成する。また、粒子線と物質中の原子核との核破砕反応によっても、ガンマ線放射核種は生成される。生成された放射性核種は核種ごとに決まった半減期で崩壊し、数百keV〜数十MeVといった高いエネルギーのガンマ線を放射する。このガンマ線を即発ガンマ線という。放射性核種から放射された即発ガンマ線は、物質の外部へ透過する。   When a high-energy particle beam is incident on a material, the particle beam excites nuclei in the material and generates a large number of gamma-ray emitting nuclides. In addition, gamma-ray radionuclides are also generated by a spallation reaction between particle beams and nuclei in matter. The generated radionuclide decays with a half-life determined for each nuclide, and emits high energy gamma rays such as several hundred keV to several tens MeV. This gamma ray is called prompt gamma ray. Prompt gamma rays emitted from the radionuclide penetrate to the outside of the material.

従って、物質外部からガンマ線検出器で即発ガンマ線を検出し、物質中におけるガンマ線の発生源を特定すると、物質内部における粒子線の照射位置を確認できる。即ち、ガンマ線検出器を用いて即発ガンマ線を検出し、患者体内における即発ガンマ線の発生源を特定すると、患者体内における粒子線の照射位置を確認できる。   Therefore, by detecting prompt gamma rays from the outside of the substance with a gamma ray detector and specifying the source of the gamma rays in the substance, the irradiation position of the particle beam inside the substance can be confirmed. That is, by detecting prompt gamma rays using a gamma ray detector and specifying the source of prompt gamma rays in the patient, the irradiation position of the particle beam in the patient can be confirmed.

即発ガンマ線のエネルギーは、数百keV〜数十MeV程度である。従って、ガンマ線検出器はエネルギーが数百keV〜数十MeVのガンマ線を検出可能であることが求められる。またガンマ線検出器は即発ガンマ線のエネルギー,飛来方向を特定可能であることが求められる。   The energy of prompt gamma rays is about several hundred keV to several tens MeV. Therefore, the gamma ray detector is required to be able to detect gamma rays having energy of several hundred keV to several tens MeV. Also, the gamma ray detector is required to be able to identify the energy and the flying direction of prompt gamma rays.

本実施例では、即発ガンマ線の検出器としてCPTを用いる。前述のように、CPTで即発ガンマ線を測定するためには、CPTに入射した即発ガンマ線が第1検出器でコンプトン散乱を起こす必要がある。CPTの第1検出器における即発ガンマ線のコンプトン散乱確率はさほど大きくない。しかしながら、粒子線の照射中に患者体内で発生する即発ガンマ線の量は十分多いため、CPTは陽子線の照射位置を確認するために必要な即発ガンマ線の測定数を確保できる。   In this embodiment, CPT is used as a prompt gamma ray detector. As described above, in order to measure prompt gamma rays with the CPT, the prompt gamma rays incident on the CPT need to cause Compton scattering in the first detector. The Compton scattering probability of prompt gamma rays in the first detector of the CPT is not so large. However, since the amount of prompt gamma rays generated in the patient body during the irradiation of the particle beam is sufficiently large, CPT can secure the number of prompt gamma rays necessary for confirming the irradiation position of the proton beam.

対消滅ガンマ線の測定によっても、患者体内における粒子線の照射位置を確認できる。
高エネルギーの粒子線が物質に入射すると、粒子線と物質中の原子核との核破砕反応によって、陽電子放射核種を多種生成する。生成された放射性核種は核種ごとに決まった半減期で崩壊し、連続的なエネルギーの陽電子を放射する。陽電子のエネルギーはそれほど大きくなく、通常数mm以下程度進んで停止し、物質中の電子と対消滅する。対消滅によって、511keVのエネルギーを持った1対のガンマ線が互いに正反対の方向へ発生する。
The irradiation position of the particle beam in the patient can also be confirmed by measuring the annihilation gamma ray.
When a high-energy particle beam is incident on a material, a variety of positron emitting nuclides are generated by a spallation reaction between the particle beam and nuclei in the material. The generated radionuclide decays with a half-life determined for each nuclide, and emits continuous energy positrons. The energy of the positron is not so large, and usually stops with a few millimeters or less and annihilates with the electrons in the material. The pair annihilation generates a pair of gamma rays having energy of 511 keV in opposite directions.

互いに正反対の方向に発生した1対の対消滅ガンマ線をPET装置で同時に測定すると、物質中における対消滅ガンマ線の発生位置を特定できる。即ち、PET装置を用いて被照射体内から発生する対消滅ガンマ線を同時に測定すると、被照射体内部における粒子線の照射位置を確認できる。   When a pair of pair annihilation gamma rays generated in opposite directions to each other are simultaneously measured with a PET apparatus, the generation position of the pair annihilation gamma rays in the substance can be specified. That is, when the pair annihilation gamma rays generated from the irradiated body are simultaneously measured using the PET apparatus, the irradiation position of the particle beam in the irradiated body can be confirmed.

対消滅ガンマ線を検出するため、本実施例では照射室に備わった1対のCPT203a,203bを1台のPETカメラとして用いる。詳細は後述する。   In order to detect pair annihilation gamma rays, in this embodiment, a pair of CPTs 203a and 203b provided in the irradiation chamber is used as one PET camera. Details will be described later.

しかしながら、停止寸前の陽子線による陽電子放射核種の生成確率がさほど大きくないため、陽電子放射核種の発生位置は陽子線の照射位置と強い相関を示さない。従って、照射する粒子線が陽子線の場合、対消滅ガンマ線の測定によって陽子線の照射位置を精度良く見積もることは難しい。   However, since the generation probability of the positron emitting nuclide by the proton beam just before the stop is not so large, the generation position of the positron emitting nuclide does not show a strong correlation with the irradiation position of the proton beam. Therefore, when the irradiated particle beam is a proton beam, it is difficult to accurately estimate the irradiation position of the proton beam by measuring the pair annihilation gamma rays.

陽電子放射核種と異なり、ガンマ線放射核種の発生位置は陽子線の照射位置と強い相関がある。例えば、ガンマ崩壊性核種O16等の発生位置は、陽子線の照射位置と強い相関を示す。これらの核種は、陽子線と物質原子核との電磁相互作用によって生じると考えられる。即発ガンマ線は、対消滅ガンマ線のように1対のガンマ線が互いに正反対の方向に発生する事象ではない。従って、PETカメラで即発ガンマ線を測定し、ガンマ線放射核種の位置を特定することはできない。前述のように、CPTは高いエネルギーを持つ即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線源の位置を特定できる測定器である。従って、陽子線の照射位置を確認する手段としては、CPTを用いた即発ガンマ線の測定が有効である。   Unlike positron emitting nuclides, the generation position of gamma-ray emitting nuclides has a strong correlation with the irradiation position of proton beams. For example, the generation position of the gamma-decaying nuclide O16 and the like shows a strong correlation with the irradiation position of the proton beam. These nuclides are thought to be generated by electromagnetic interaction between proton beams and material nuclei. Prompt gamma rays are not an event in which a pair of gamma rays are generated in opposite directions to each other like annihilation gamma rays. Therefore, prompt gamma rays cannot be measured with a PET camera, and the position of the gamma ray radionuclide cannot be specified. As described above, the CPT is a measuring device that can detect prompt gamma rays having high energy and specify the position of the prompt gamma ray source. Accordingly, prompt gamma ray measurement using CPT is effective as a means for confirming the irradiation position of proton beams.

照射する粒子が炭素線の場合、照射した炭素線自身が物質中の原子核との核破砕反応によって陽電子放射核種C11に転じることがある。従って、陽電子放射核種が発生する位置と炭素線が照射された位置には強い相関がある。また、対消滅ガンマ線の計測に関しては、検出効率,発生位置の特定精度共にPETカメラがCPTと比較して優れている。従って、炭素線の照射位置を確認する手段としては、PETカメラを用いた対消滅ガンマ線の測定が有効である。   When the irradiated particle is a carbon beam, the irradiated carbon beam itself may be turned into a positron emitting nuclide C11 by a nuclear fragmentation reaction with a nucleus in the material. Therefore, there is a strong correlation between the position where the positron emitting nuclide is generated and the position irradiated with the carbon beam. In addition, regarding the measurement of pair annihilation gamma rays, the PET camera is superior to the CPT in terms of detection efficiency and generation position specifying accuracy. Therefore, as a means for confirming the irradiation position of the carbon beam, measurement of pair annihilation gamma rays using a PET camera is effective.

本実施例では陽子線との照射を共用する粒子線として炭素線を用いたが、核破砕反応によって自身が陽電子放射核種になる、または停止直前において陽電子放射核種の生成確率が高い粒子線ならば、同様の効果が得られる。   In this example, a carbon beam is used as a particle beam that shares irradiation with a proton beam. However, if the particle beam becomes a positron emitting nuclide by a nuclear fragmentation reaction or has a high probability of generating a positron emitting nuclide immediately before stopping, A similar effect can be obtained.

続いて、本実施例の粒子線照射システムが、患者体内における粒子線の照射位置を確認する手順について説明する。   Then, the procedure in which the particle beam irradiation system of a present Example confirms the irradiation position of the particle beam in a patient body is demonstrated.

粒子線の照射前に行われる患者位置決めが完了すると、治療計画装置はi)照射に用いる粒子の種類,ii)計画線量分布,iii)ガントリー回転角度の3つの情報を、図2に示したロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206に伝える。情報i)照射粒子の種類に関しては、さらにCPT203a,203bに接続された信号処理装置209,コンピュータ210にも伝えられる。信号処理装置209は、CPT203a,203bによって測定されたガンマ線のデータをCPT203a,203bから引き出し、コンピュータ210に送信する機器である。また、コンピュータ210は信号処理装置209から受信したガンマ線の測定データを保存,解析する機器である。コンピュータ210による解析結果によって、操作者は粒子線の照射位置を確認する。   When the patient positioning performed before the irradiation of the particle beam is completed, the treatment planning apparatus has three types of information, i) the type of particles used for irradiation, ii) the planned dose distribution, and iii) the gantry rotation angle shown in FIG. This is transmitted to the drive control device 206 of the arms 201a and 201b. Information i) The type of irradiated particles is further transmitted to the signal processor 209 and the computer 210 connected to the CPTs 203a and 203b. The signal processing device 209 is a device that extracts gamma ray data measured by the CPTs 203 a and 203 b from the CPTs 203 a and 203 b and transmits the data to the computer 210. The computer 210 is a device for storing and analyzing gamma ray measurement data received from the signal processing device 209. Based on the analysis result by the computer 210, the operator confirms the irradiation position of the particle beam.

照射に陽子線を用いる場合について説明する。照射に陽子線を用いる場合(陽子・炭素線発生装置101で生成する粒子線が陽子線の場合)、本実施例の粒子線照射システムは患者体内で発生する即発ガンマ線を計測し、患者体内における陽子線の照射位置を確認する。   The case where a proton beam is used for irradiation will be described. When a proton beam is used for irradiation (when the particle beam generated by the proton / carbon beam generator 101 is a proton beam), the particle beam irradiation system of the present embodiment measures prompt gamma rays generated in the patient body, Check the irradiation position of the proton beam.

まず、治療計画装置が、情報i)照射粒子の種類(ここでは、陽子線)を出力すると、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は、照射に陽子線が用いられることを確認する。照射に陽子線が用いられることを確認した駆動制御装置206は、照射位置の確認に適切なCPT203a,203bの設置位置を算出する。   First, when the treatment planning device outputs information i) the type of irradiated particles (here, proton beam), the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b confirms that the proton beam is used for irradiation. The drive control device 206 that has confirmed that a proton beam is used for irradiation calculates the installation positions of the CPTs 203a and 203b that are appropriate for confirmation of the irradiation position.

陽子線の照射時において、特に陽子線の飛程終端付近を確認したい場合に適切なCPT203a,203bの設置位置を、CPT203aを例に図3で説明する。   FIG. 3 illustrates an appropriate installation position of the CPTs 203a and 203b particularly when it is desired to confirm the vicinity of the end of the proton beam range when the proton beam is irradiated.

陽子線301の計画線量分布302をビーム軸303上に射影したときに得られるビーム軸303方向に対して最も深い位置を位置304とする。適切なCPT203aの設置位置とは、位置304とCPT203aにおけるガンマ線検出面の中心位置306を結ぶ直線307が、ビーム軸303と垂直になる位置である。このとき、CPT203aのガンマ線検出面は、ビーム軸303と平行である。CPT203aにおけるガンマ線検出面とは、CPT203aの第1検出器207a表面においてガンマ線源、すなわち患者と対向する面である。また、駆動制御装置206は、患者に接触しない程度にできるだけCPT203aを患者に近づけるとさらに良い。   A position 304 is the deepest position with respect to the direction of the beam axis 303 obtained when the planned dose distribution 302 of the proton beam 301 is projected onto the beam axis 303. The appropriate installation position of the CPT 203 a is a position where a straight line 307 connecting the position 304 and the center position 306 of the gamma ray detection surface in the CPT 203 a is perpendicular to the beam axis 303. At this time, the gamma ray detection surface of the CPT 203 a is parallel to the beam axis 303. The gamma ray detection surface in the CPT 203a is a surface facing the gamma ray source, that is, the patient, on the surface of the first detector 207a of the CPT 203a. In addition, it is better that the drive control device 206 brings the CPT 203a as close to the patient as possible without touching the patient.

こうした条件に従って、図2のロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は、まず治療計画装置から得たiii)ガントリー回転角の情報から図3のビーム軸303を算出する。さらに、駆動制御装置206は、ii)計画線量分布の情報から、位置304を算出する。算出したビーム軸303と位置304を用いて、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は適切なCPT203a,203bの設置位置を算出する。CPT203a,203bの設置位置を算出するとき、1対のロボットアーム201a,201bが同じ位置にCPT203a,203bを設置する事がないよう、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は異なる2つの位置を算出する。   In accordance with these conditions, the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b in FIG. 2 first calculates the beam axis 303 in FIG. 3 from the iii) gantry rotation angle information obtained from the treatment planning device. Furthermore, the drive control apparatus 206 calculates the position 304 from the information of ii) plan dose distribution. Using the calculated beam axis 303 and position 304, the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b calculates appropriate installation positions of the CPTs 203a and 203b. When calculating the installation positions of the CPTs 203a and 203b, the drive control devices 206 of the robot arms 201a and 201b have two different positions so that the pair of robot arms 201a and 201b do not install the CPTs 203a and 203b at the same position. calculate.

的確なCPT203a,203bの位置が算出されると、駆動制御装置206がロボットアーム201a,201bを自動で駆動し、駆動制御装置206が計算した適切な位置にCPT203a,203bを設置する。CPT203a,203bの設置が完了すると、駆動制御装置206はコンピュータ210にCPT203a,203bの設置が完了したことを送信する。CPT203a,203bの設置完了を受信したコンピュータ210は、CPT203a,203bと信号処理装置209の電源をオンする。   When the accurate positions of the CPTs 203a and 203b are calculated, the drive control device 206 automatically drives the robot arms 201a and 201b, and the CPTs 203a and 203b are installed at appropriate positions calculated by the drive control device 206. When the installation of the CPTs 203a and 203b is completed, the drive control device 206 transmits to the computer 210 that the installation of the CPTs 203a and 203b is completed. Receiving the completion of installation of the CPTs 203a and 203b, the computer 210 turns on the CPTs 203a and 203b and the signal processing device 209.

図3を用いて説明したCPTの適切な設置位置は、特に陽子線の飛程終端付近を確認したい場合に有効である。その他の照射位置を確認したいとき、図3を用いて説明した位置と異なる位置にCPTを配置した方がよい場合がある。そういった場合、操作者は図2に示したロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206に備わったユーザーインターフェースを用いてCPT203a,203bを任意の位置に設置できる。   The appropriate installation position of the CPT described with reference to FIG. 3 is effective particularly when it is desired to confirm the vicinity of the end of the proton beam range. When it is desired to check other irradiation positions, it may be better to place the CPT at a position different from the position described with reference to FIG. In such a case, the operator can install the CPTs 203a and 203b at arbitrary positions using the user interface provided in the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b shown in FIG.

ロボットアーム201a,201bには障害物センサー(図示せず)が取り付けられており、ロボットアーム201a,201bが移動する際、CPT203a,203bやロボットアーム201a,201bがもう片方のロボットアーム、他の機器、患者205に接触しないよう制御される。前述のように、CPT203a,203bを任意の位置に設置する場合、操作者はユーザーインターフェースに指示信号を入力する。駆動制御装置206は、ユーザーインターフェースからの指示信号を入力すると、ロボットアーム201a,201bを駆動し、CPT203a,203bを任意の位置に設置する。   Obstacle sensors (not shown) are attached to the robot arms 201a and 201b. When the robot arms 201a and 201b move, the CPT 203a and 203b and the robot arms 201a and 201b are the other robot arm and other devices. The patient 205 is controlled so as not to touch. As described above, when the CPTs 203a and 203b are installed at arbitrary positions, the operator inputs an instruction signal to the user interface. When receiving an instruction signal from the user interface, the drive control device 206 drives the robot arms 201a and 201b and installs the CPTs 203a and 203b at arbitrary positions.

適切な可動機構を追加すれば、CPTを回転ガントリーや患者カウチに設置しても、ロボットアームを用いた本実施例と同様の効果が得られる。また、操作者が所望する位置にCPTを設置可能ならば、特に可動機構の必要はない。従って、CPTの設置は操作者が直接手で行ってもよい。   If an appropriate movable mechanism is added, even if the CPT is installed in the rotating gantry or the patient couch, the same effect as in this embodiment using the robot arm can be obtained. If the CPT can be installed at a position desired by the operator, there is no need for a movable mechanism. Therefore, the CPT may be installed directly by the operator.

2対以上のCPTを用いても、1対のCPTを用いた本実施例と同様の効果が得られる。複数のCPTを設置することによって、検出できるガンマ線も増えるため、ガンマ線の発生位置をさらに正確に求めることができる。   Even when two or more pairs of CPTs are used, the same effect as in the present embodiment using one pair of CPTs can be obtained. By installing a plurality of CPTs, the number of gamma rays that can be detected increases, so that the generation position of the gamma rays can be obtained more accurately.

CPT203a,203bの設置が完了し、CPT203a,203bの電源がオンされると、患者205への陽子線照射が可能になる。操作者が粒子線照射システムの操作卓から粒子線照射システムに患者への粒子線照射開始を指示すると、照射開始信号が図2に示したコンピュータ210に発信される。コンピュータ210が照射開始信号を受信すると、信号処理装置209にCPT203a,203bからの測定データ取得とコンピュータ210への測定データ送信を指示し、ガンマ線の測定を開始する。   When the installation of the CPTs 203a and 203b is completed and the CPTs 203a and 203b are turned on, the patient 205 can be irradiated with a proton beam. When the operator instructs the particle beam irradiation system to start the particle beam irradiation to the patient from the console of the particle beam irradiation system, an irradiation start signal is transmitted to the computer 210 shown in FIG. When the computer 210 receives the irradiation start signal, it instructs the signal processing device 209 to acquire measurement data from the CPTs 203a and 203b and transmit the measurement data to the computer 210, and starts measuring gamma rays.

患者205への陽子線照射が開始されると、患者205体内において陽子線の照射を受けた位置から、即発ガンマ線が発生する。   When proton irradiation to the patient 205 is started, prompt gamma rays are generated from the position where the patient 205 is irradiated with the proton beam.

図4を用いて、CPT203aを例に、CPTによる即発ガンマ線の検出手順を説明する。   A procedure for detecting prompt gamma rays by CPT will be described with reference to FIG. 4 using CPT 203a as an example.

図4に示したガンマ線(ここでは、即発ガンマ線)401は、まずCPT203aの第1検出器207aに入射する。本実施例では、第1検出器207aは、タイムプロジェクションチェンバー(以下、TPC)403及びマイクロピクセルチェンバー(μPIC)406を備える。TPC403には、放射線を検出するためのガスが封入されている。TPC403内で即発ガンマ線401がコンプトン散乱を起こすと、コンプトン散乱した位置から散乱電子404が発生する。散乱電子404によってTPC403内のガスは電離され、散乱電子404の軌跡に沿って2次電子405が発生する。散乱電子404は運動エネルギーを失い、やがてTPC403内部で停止する。   The gamma rays (in this case, prompt gamma rays) 401 shown in FIG. 4 first enter the first detector 207a of the CPT 203a. In the present embodiment, the first detector 207 a includes a time projection chamber (hereinafter referred to as TPC) 403 and a micropixel chamber (μPIC) 406. The TPC 403 is filled with a gas for detecting radiation. When the prompt gamma ray 401 causes Compton scattering in the TPC 403, scattered electrons 404 are generated from the Compton scattered position. The gas in the TPC 403 is ionized by the scattered electrons 404, and secondary electrons 405 are generated along the locus of the scattered electrons 404. The scattered electrons 404 lose kinetic energy and eventually stop inside the TPC 403.

TPC403内部には一方向に電場がかけられており、電離によって発生した2次電子405は電場の向きと逆方向に移動する。2次電子405の移動速度が一定となるように、電場の強度は調整されている。2次電子405の移動先には、電荷の位置を2次元で読み出すことができる機器が設置されている。本実施例では、マイクロピクセルチェンバー(μPIC)406を用いた。2次電子405がμPIC406に到達すると、2次電子405のもつ電荷量に比例した強度の電気信号(ガンマ線検出信号)がCPT203aの信号処理装置209に出力される。また、CPT203aは、μPIC406の各位置で検出した2次電子405の電荷を、一定の時間毎に区切って読み出している。従って、μPIC406に対して遠い位置で発生した2次電子405は、近い位置で発生した2次電子405と比較してより遅い時間にμPIC406で検出された電気信号として読み出される。このような工夫により、TPC403は散乱電子404の軌跡を3次元で得る事ができる。   An electric field is applied in one direction inside the TPC 403, and secondary electrons 405 generated by ionization move in a direction opposite to the direction of the electric field. The intensity of the electric field is adjusted so that the moving speed of the secondary electrons 405 is constant. At the destination of the secondary electrons 405, a device that can read the position of the charges in two dimensions is installed. In this embodiment, a micropixel chamber (μPIC) 406 is used. When the secondary electrons 405 reach the μPIC 406, an electrical signal (gamma ray detection signal) having an intensity proportional to the charge amount of the secondary electrons 405 is output to the signal processing device 209 of the CPT 203a. Further, the CPT 203a reads out the charges of the secondary electrons 405 detected at each position of the μPIC 406 at regular intervals. Therefore, the secondary electrons 405 generated at a position far from the μPIC 406 are read out as an electrical signal detected by the μPIC 406 at a later time than the secondary electrons 405 generated at a close position. By such a device, the TPC 403 can obtain the locus of the scattered electrons 404 in three dimensions.

また、2次電子405の発生量は散乱電子404のエネルギー損失に比例する。従って、μPIC406から得られた電気信号をすべて積分すると、散乱電子404がTPC403内で落としたエネルギーを特定できる。即ち、散乱電子404の運動エネルギーを特定ができる。   The amount of secondary electrons 405 generated is proportional to the energy loss of the scattered electrons 404. Therefore, when all the electrical signals obtained from the μPIC 406 are integrated, the energy dropped by the scattered electrons 404 in the TPC 403 can be specified. That is, the kinetic energy of the scattered electrons 404 can be specified.

シリコンなどを用いた薄い半導体検出器には、検出器における電子の入射位置と電子のエネルギー損失を検出できるものがある。このような半導体検出器を多数積層した構成も、散乱電子の軌跡と運動エネルギーを測定可能である。本実施例では、第1検出器207aとしてTPC403を用いたが、半導体検出器を多数積層した構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。   Some thin semiconductor detectors using silicon or the like can detect the incident position of electrons and the energy loss of electrons in the detector. A configuration in which a large number of such semiconductor detectors are stacked can also measure the trajectory and kinetic energy of scattered electrons. In the present embodiment, the TPC 403 is used as the first detector 207a. However, the same effects as in the present embodiment can be obtained even when a large number of semiconductor detectors are stacked.

第1検出器207aでコンプトン散乱を起こした即発ガンマ線401bは、散乱後、第2検出器208aに入射する。本実施例では、第2検出器208aとして無機シンチレータを用いたシンチレーションカウンタ407を考える。散乱ガンマ線401bのエネルギー分解能と検出効率を高めるため、無機シンチレータは発光量が大きく、阻止能の高い物質が望まれる。本実施例では、無機シンチレータとしてGSO結晶408を用いる。シンチレーションカウンタ407は、GSO結晶408及びマルチアノード型の光電子増倍管409を備える。   The prompt gamma ray 401b that has caused Compton scattering by the first detector 207a is incident on the second detector 208a after being scattered. In this embodiment, a scintillation counter 407 using an inorganic scintillator is considered as the second detector 208a. In order to increase the energy resolution and detection efficiency of the scattered gamma rays 401b, the inorganic scintillator is desired to be a substance having a large light emission amount and a high stopping power. In this embodiment, a GSO crystal 408 is used as an inorganic scintillator. The scintillation counter 407 includes a GSO crystal 408 and a multi-anode type photomultiplier tube 409.

阻止能が高く発光量が大きなシンチレータならば、GSO結晶でなくても、同様の効果は得られる。例えば、LSO結晶,BGO結晶,PWO結晶,NaI結晶,CsI結晶,LaBr結晶,YSO結晶などである。阻止能が高く発光量が大きなものならば、有機シンチレータでも同様の効果が得られる。   If the scintillator has a high stopping power and a large light emission amount, the same effect can be obtained even if it is not a GSO crystal. For example, LSO crystal, BGO crystal, PWO crystal, NaI crystal, CsI crystal, LaBr crystal, YSO crystal, and the like. The same effect can be obtained with an organic scintillator as long as it has a high stopping power and a large light emission amount.

GSO結晶(シンチレータ)408は細かくセグメント化され、GSO結晶の1セグメント408aに対して、マルチアノード型の光電子増倍管409の光電素子1チャンネル(図示せず)がそれぞれ接続されている。散乱ガンマ線401bがシンチレーションカウンタ407に入射すると、GSO結晶408内で電磁シャワー(図示せず)を起こし、やがてすべて光電吸収される。GSO結晶408は、吸収した電磁シャワーのエネルギーに比例した数の光子(図示せず)を発生する。発生した光子は、光電子増倍管409で電気信号に変換される。電気信号の大きさは、変換した光子の数に比例する。すなわち、光電子増倍管409から得られる電気信号(ガンマ線検出信号)の大きさにより、各セグメント408a内における電磁シャワーのエネルギーを特定できる。電気信号は、信号処理装置209に出力される。   A GSO crystal (scintillator) 408 is finely segmented, and a photoelectric element 1 channel (not shown) of a multi-anode type photomultiplier tube 409 is connected to one segment 408a of the GSO crystal. When the scattered gamma ray 401b is incident on the scintillation counter 407, an electromagnetic shower (not shown) is caused in the GSO crystal 408 and eventually all of the light is photoelectrically absorbed. The GSO crystal 408 generates a number of photons (not shown) proportional to the absorbed energy of the electromagnetic shower. The generated photons are converted into electric signals by the photomultiplier tube 409. The magnitude of the electrical signal is proportional to the number of converted photons. That is, the energy of the electromagnetic shower in each segment 408a can be specified by the magnitude of the electrical signal (gamma ray detection signal) obtained from the photomultiplier tube 409. The electric signal is output to the signal processing device 209.

また、各セグメント408aで得られた電磁シャワーのエネルギーから、電磁シャワーのエネルギー重心位置を算出できる。電磁シャワーのエネルギー重心位置を、散乱ガンマ線401bの入射位置とする。さらに、各セグメント408aで得られた電磁シャワーのエネルギーを積分すると、散乱ガンマ線401bのエネルギーを特定できる。   Further, the energy gravity center position of the electromagnetic shower can be calculated from the electromagnetic shower energy obtained in each segment 408a. The energy gravity center position of the electromagnetic shower is set as the incident position of the scattered gamma ray 401b. Further, by integrating the electromagnetic shower energy obtained in each segment 408a, the energy of the scattered gamma ray 401b can be specified.

GSO結晶408をセグメント化しなかった場合でも、散乱ガンマ線401bの入射位置を特定できる。GSO結晶に対して複数の光電子増倍管、もしくはマルチアノード型の光電子増倍管を接続すると、各光電子増倍管で得られる電気信号の強度差から、結晶内における光子発生位置の重心を算出できる。光子発生位置の重心は、電磁シャワーの重心位置と一致するはずである。従って、光子発生位置の重心が、散乱ガンマ線401bの入射位置である。   Even when the GSO crystal 408 is not segmented, the incident position of the scattered gamma ray 401b can be specified. When multiple photomultiplier tubes or multi-anode photomultiplier tubes are connected to the GSO crystal, the center of gravity of the photon generation position in the crystal is calculated from the difference in the intensity of the electrical signal obtained from each photomultiplier tube. it can. The center of gravity of the photon generation position should match the position of the center of gravity of the electromagnetic shower. Therefore, the center of gravity of the photon generation position is the incident position of the scattered gamma ray 401b.

本実施例では、第2検出器208aにマルチアノード型の光電子増倍管409を用いたが、その代わりに、光を電気信号に変換する半導体素子、例えばアバランシフォトダイオード(APD)やシリコンフォトマルチプライヤー(SiPM)を用いても、同様の効果が得られる。   In this embodiment, the multi-anode type photomultiplier tube 409 is used for the second detector 208a. Instead, a semiconductor element that converts light into an electric signal, such as an avalanche photodiode (APD) or a silicon photo diode, is used. The same effect can be obtained by using a multiplier (SiPM).

阻止能の高い半導体(例えば、カドミウムテルル)を用いた、ガンマ線の入射位置を検出可能な半導体検出器でも、散乱ガンマ線のエネルギーと第2検出器における散乱ガンマ線の入射位置を特定できる。従って、本実施例のシンチレーションカウンタの代わりに、このような半導体検出器を用いた場合も、本実施例と同様の効果が得られる。   Even with a semiconductor detector using a semiconductor with high stopping power (for example, cadmium tellurium) and capable of detecting the incident position of gamma rays, the energy of the scattered gamma rays and the incident position of the scattered gamma rays in the second detector can be specified. Therefore, even when such a semiconductor detector is used instead of the scintillation counter of this embodiment, the same effect as that of this embodiment can be obtained.

次に、データの取得から照射位置確認までの手順を、図5で説明する。   Next, the procedure from data acquisition to irradiation position confirmation will be described with reference to FIG.

信号処理装置209は、判定装置506,切り替え制御装置511,ゲート信号生成回路508及びアナログデジタルコンバータ(ADC)507を備える。判定装置506は、ノイズ判定部509a,509b,509c,509d、信号判定部510a,510b,510c及び粒子線判定部512a,512b,512cを備える。CPT203aの第1検出器207aがノイズ判定部509aに接続され、第2検出器208aがノイズ判定部509bに接続される。CPT203bの第1検出器207bがノイズ判定部509cに接続され、第2検出器208bがノイズ判定部509dに接続される。判定装置506は、CPTの検出器の数に相当する数のノイズ判定部を有する。ノイズ判定部としては、ディスクリミネータ回路等が考えられる。ノイズ判定部509a,509bにつながる信号判定部510aが、粒子線判定部512aに接続される。ノイズ判定部509c,509dにつながる信号判定部510bが、粒子線判定部512bに接続される。ノイズ判定部509b,509dにつながる信号判定部510bが、粒子線判定部512bに接続される。粒子線判定部512a,512b,512cは、ゲート信号生成回路508に接続される。切り替え制御装置511が粒子線判定部512a,512b,512cに接続される。ADC507は、第1検出器207a,207b,第2検出器208a,208b,ゲート信号生成回路508及びコンピュータ210に接続される。本実施例では、信号判定部510と、粒子線判定部512を別個に備えたが、1つの判定部で両者の機能を持つ構成としてもよい。   The signal processing device 209 includes a determination device 506, a switching control device 511, a gate signal generation circuit 508, and an analog / digital converter (ADC) 507. The determination device 506 includes noise determination units 509a, 509b, 509c, and 509d, signal determination units 510a, 510b, and 510c, and particle beam determination units 512a, 512b, and 512c. The first detector 207a of the CPT 203a is connected to the noise determination unit 509a, and the second detector 208a is connected to the noise determination unit 509b. The first detector 207b of the CPT 203b is connected to the noise determination unit 509c, and the second detector 208b is connected to the noise determination unit 509d. The determination device 506 includes a number of noise determination units corresponding to the number of CPT detectors. A discriminator circuit or the like can be considered as the noise determination unit. A signal determination unit 510a connected to the noise determination units 509a and 509b is connected to the particle beam determination unit 512a. A signal determination unit 510b connected to the noise determination units 509c and 509d is connected to the particle beam determination unit 512b. A signal determination unit 510b connected to the noise determination units 509b and 509d is connected to the particle beam determination unit 512b. The particle beam determination units 512a, 512b, and 512c are connected to the gate signal generation circuit 508. A switching control device 511 is connected to the particle beam determination units 512a, 512b, and 512c. The ADC 507 is connected to the first detectors 207a and 207b, the second detectors 208a and 208b, the gate signal generation circuit 508, and the computer 210. In this embodiment, the signal determination unit 510 and the particle beam determination unit 512 are provided separately, but a single determination unit may have both functions.

CPT203aが即発ガンマ線を検出すると、第1検出器207a及び第2検出器208aがそれぞれガンマ線検出信号(アナログの電気信号、以下、アナログデータ信号)を信号処理装置209に出力する。同様に、CPT203bが即発ガンマ線を検出すると、第1検出器207b及び第2検出器208bがそれぞれガンマ線検出信号(アナログデータ信号)を信号処理装置209に出力する。信号処理装置209は、入力したアナログデータ信号をデジタル値(以下、デジタルデータ信号)に変換し、コンピュータ210に送信する。   When the CPT 203a detects prompt gamma rays, the first detector 207a and the second detector 208a output gamma ray detection signals (analog electrical signals, hereinafter referred to as analog data signals) to the signal processing device 209, respectively. Similarly, when the CPT 203b detects prompt gamma rays, the first detector 207b and the second detector 208b output gamma ray detection signals (analog data signals) to the signal processing device 209, respectively. The signal processing device 209 converts the input analog data signal into a digital value (hereinafter referred to as a digital data signal) and transmits it to the computer 210.

CPT203a,203bから読み出されたアナログデータ信号はまず2つに分割され、1つは判定装置506に、1つはADC507に送信される。判定装置506は、後述するように、入力されたアナログデータ信号が有効なガンマ線に起因する信号であるかを判定する。有効な信号と判断した場合、判定装置506は、入力されたアナログデータ信号をデジタル信号(以下、トリガー信号)に変換し、ゲート信号生成回路508に出力する。トリガー信号を入力したゲート信号生成回路508は、ゲート信号をADC507のゲート入力507aに出力する。ADC507は、ゲート信号を入力すると、ゲート信号が発信されている間に第1検出器207a,207b及び第2検出器208a,208bからのアナログデータ信号の積分強度を求め、デジタルデータ信号に変換する。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ210に送信され、コンピュータ210のメモリ(図示せず)に保存される。ADC507は、ゲート信号を受信せずに第1検出器207a,207b及び第2検出器208a,208bからのアナログデータ信号を受信した場合、アナログ信号をデジタル信号に変換せず、コンピュータ210に送信しない。このように、ADC507は、ゲート信号に基づいて、第1検出器207a,207b及び第2検出器208a,208bからのガンマ線検出信号をコンピュータ210に出力する。   The analog data signals read from the CPTs 203a and 203b are first divided into two, one being sent to the determination device 506 and one being sent to the ADC 507. As will be described later, the determination device 506 determines whether the input analog data signal is a signal caused by a valid gamma ray. If it is determined that the signal is valid, the determination device 506 converts the input analog data signal into a digital signal (hereinafter referred to as trigger signal) and outputs the digital signal to the gate signal generation circuit 508. The gate signal generation circuit 508 to which the trigger signal is input outputs the gate signal to the gate input 507a of the ADC 507. When the ADC 507 receives the gate signal, the ADC 507 obtains the integrated intensity of the analog data signal from the first detectors 207a and 207b and the second detectors 208a and 208b while the gate signal is being transmitted, and converts it to a digital data signal. . The obtained digital data signal is transmitted to the computer 210 and stored in a memory (not shown) of the computer 210. When the ADC 507 receives analog data signals from the first detectors 207a and 207b and the second detectors 208a and 208b without receiving the gate signal, the ADC 507 does not convert the analog signal into a digital signal and does not transmit it to the computer 210. . As described above, the ADC 507 outputs the gamma ray detection signals from the first detectors 207a and 207b and the second detectors 208a and 208b to the computer 210 based on the gate signal.

ゲート信号が生成される条件を、トリガー条件という。判定装置506は、トリガー条件を満たすとデジタル信号(トリガー信号)を出力する。トリガー信号は、ゲート信号生成回路508に入力する。トリガー信号を入力したゲート信号生成回路508は、ゲート信号をADC507に発信する。   The condition for generating the gate signal is called a trigger condition. The determination device 506 outputs a digital signal (trigger signal) when the trigger condition is satisfied. The trigger signal is input to the gate signal generation circuit 508. The gate signal generation circuit 508 having received the trigger signal transmits the gate signal to the ADC 507.

トリガー条件は、切り替え制御装置511から出力されるデジタル信号(以下、切り替え信号)によって変更される。切り替え制御装置511は、治療計画装置からi)照射粒子の情報を受け取り、切り替え制御装置511に備わったメモリ(図示せず)に保存する。照射粒子が陽子線であった場合、切り替え制御装置511は切り替え信号を出力する。   The trigger condition is changed by a digital signal output from the switching control device 511 (hereinafter referred to as a switching signal). The switching control device 511 receives i) irradiation particle information from the treatment planning device and stores it in a memory (not shown) provided in the switching control device 511. When the irradiated particle is a proton beam, the switching control device 511 outputs a switching signal.

ノイズ判定部509は、CPT203a,203bからのアナログデータ信号が、操作者が設定した閾値以上の強度(又は、予め設定された範囲の値の強度)を有するかを判定し、閾値以上(又は、設定範囲内)のアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する機能を備えている。閾値未満(又は、設定範囲外)のアナログデータ信号を入力した場合、ノイズ判定部509はその信号を出力しない。つまり、ノイズ判定部509は、CPT203a,203bで検出されたガンマ線が所定のエネルギーであるかを判別し、閾値未満(設定範囲外)のエネルギーのガンマ線に起因するアナログデータ信号をノイズとして処理する。閾値以上のガンマ線検出信号を入力したノイズ判定部509は、生成したデジタル信号を信号判定部510に出力する。ノイズ判定部509の閾値は、操作者が変更可能である。信号判定部510a,510b,510c及び粒子線判定部512a,512b,512cは、複数のデジタル信号が同時に入力したとき、デジタル信号を新たに出力する機能を備えている。ただし、ベト入力にデジタル信号が入力されている場合、信号判定部510a,510b,510c及び粒子線判定部512a,512b,512cは新たなデジタル信号を出力しない。   The noise determination unit 509 determines whether the analog data signal from the CPTs 203a and 203b has an intensity equal to or higher than a threshold set by the operator (or an intensity of a value in a preset range), and exceeds the threshold (or The analog signal within the setting range) is converted into a digital signal and output. When an analog data signal less than the threshold value (or outside the set range) is input, the noise determination unit 509 does not output the signal. That is, the noise determination unit 509 determines whether or not the gamma rays detected by the CPTs 203a and 203b have predetermined energy, and processes an analog data signal resulting from gamma rays having energy less than the threshold (out of the setting range) as noise. The noise determination unit 509 that has input a gamma ray detection signal equal to or greater than the threshold value outputs the generated digital signal to the signal determination unit 510. The operator can change the threshold value of the noise determination unit 509. The signal determination units 510a, 510b, and 510c and the particle beam determination units 512a, 512b, and 512c have a function of newly outputting digital signals when a plurality of digital signals are simultaneously input. However, when a digital signal is input to the solid input, the signal determination units 510a, 510b, and 510c and the particle beam determination units 512a, 512b, and 512c do not output a new digital signal.

信号判定部510aは、CPT203aの第1検出器207a及び第2検出器208aから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。つまり、信号判定部510aは、CPT203aの第1検出器207a及び第2検出器208aが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一つのガンマ線に起因する有効な信号と判定して、デジタル信号を出力する機能を有する。本明細書での「同時」とは、予め定められた所定の期間のことを示し、同時であると判断できる程度の期間をいう。信号判定部510aから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512aに入力する。また、粒子線判定部512aには切り替え制御装置511からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部512aに切り替え信号が入力された場合、信号判定部510aからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、照射粒子が陽子線であった場合、信号判定部510aからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510a outputs a digital signal when digital signals derived from the analog data signals output from the first detector 207a and the second detector 208a of the CPT 203a are simultaneously input. That is, when the first detector 207a and the second detector 208a of the CPT 203a simultaneously output analog data signals, the signal determination unit 510a determines that these analog data signals are effective signals due to one gamma ray. And a function of outputting a digital signal. “Simultaneous” in the present specification indicates a predetermined period, which is a period that can be determined to be simultaneous. The digital signal output from the signal determination unit 510a is input to the particle beam determination unit 512a. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512a. Therefore, when a switching signal is input to the particle beam determination unit 512a, a digital signal from the signal determination unit 510a is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the irradiated particle is a proton beam, a digital signal from the signal determination unit 510a is output from the determination device 506 as a trigger signal.

信号判定部510bは、CPT203bの第1検出器207b及び第2検出器208bから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。つまり、信号判定部510bは、CPT203bの第1検出器207b及び第2検出器208bが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一つのガンマ線に起因する有効な信号と判定して、デジタル信号を出力する機能を有する。信号判定部510bから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512bに入力する。また、粒子線判定部512bには切り替え制御装置511からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部512bに切り替え信号が入力された場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、照射粒子が陽子線であった場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510b outputs a digital signal when digital signals derived from the analog data signals output from the first detector 207b and the second detector 208b of the CPT 203b are input simultaneously. That is, when the first detector 207b and the second detector 208b of the CPT 203b simultaneously output analog data signals, the signal determination unit 510b determines that these analog data signals are effective signals due to one gamma ray. And a function of outputting a digital signal. The digital signal output from the signal determination unit 510b is input to the particle beam determination unit 512b. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512b. Therefore, when a switching signal is input to the particle beam determination unit 512b, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the irradiated particle is a proton beam, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal.

信号判定部510cは、CPT203aの第2検出器208a及びCPT203bの第2検出器208bから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部510cから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512cに入力する。また、粒子線判定部512cには切り替え制御装置511からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部512cに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部510cからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、照射粒子が炭素線であった場合、信号判定部510cからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510c outputs a digital signal when digital signals derived from the analog data signal output from the second detector 208a of the CPT 203a and the second detector 208b of the CPT 203b are simultaneously input. The digital signal output from the signal determination unit 510c is input to the particle beam determination unit 512c. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512c. Therefore, when the switching signal is not input to the particle beam determination unit 512c, the digital signal from the signal determination unit 510c is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the irradiated particle is a carbon beam, a digital signal from the signal determination unit 510c is output from the determination device 506 as a trigger signal.

即ち、トリガー条件は照射される粒子が陽子線か否かで決定する。   That is, the trigger condition is determined by whether or not the irradiated particle is a proton beam.

従って、陽子線照射の場合におけるトリガー条件は、CPT203a,203bにおける第1検出器207a,207b(正確には、μPIC)と、第2検出器208a,208b(正確には、光電子増倍管)から同時にアナログデータ信号が信号処理装置209に出力されることである。即ち、即発ガンマ線がCPT203a,203bの第1検出器207a,207bでコンプトン散乱を起こし、散乱したガンマ線がCPT203a,203bの第2検出器208a,208bで検出されることである。   Therefore, the trigger conditions in the case of proton beam irradiation are from the first detectors 207a and 207b (precisely μPIC) and the second detectors 208a and 208b (exactly photomultiplier tubes) in the CPT 203a and 203b. At the same time, an analog data signal is output to the signal processing device 209. That is, prompt gamma rays cause Compton scattering in the first detectors 207a and 207b of the CPTs 203a and 203b, and scattered gamma rays are detected by the second detectors 208a and 208b of the CPTs 203a and 203b.

トリガー条件を満たすと、判定装置506からトリガー信号が出力される。トリガー信号はゲート信号生成回路508に入力し、ゲート信号生成回路508はゲート信号を出力する。ADC507のゲート入力507aにゲート信号が入力すると、ゲート信号が発信されている間にADC507に入力したアナログデータ信号(即ち、各時間においてμPICの各位置で得られた電気信号強度,光電子増倍管の各チャンネルで得られた電気信号強度)の積分強度が、デジタルデータ信号に変換される。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ210に送信され、コンピュータ210のメモリ(図示せず)に測定データとして記録される。つまり、信号処理装置209は、CPT203a,203bから出力されるガンマ線検出信号(アナログデータ信号)が即発ガンマ線に起因すると判断すると、そのガンマ線検出信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ210に出力している。   When the trigger condition is satisfied, the determination device 506 outputs a trigger signal. The trigger signal is input to the gate signal generation circuit 508, and the gate signal generation circuit 508 outputs a gate signal. When a gate signal is input to the gate input 507a of the ADC 507, the analog data signal input to the ADC 507 while the gate signal is being transmitted (that is, the electrical signal intensity and photomultiplier tube obtained at each position of the μPIC at each time). The integrated intensity of the electrical signal intensity obtained in each channel is converted into a digital data signal. The obtained digital data signal is transmitted to the computer 210 and recorded as measurement data in a memory (not shown) of the computer 210. That is, when the signal processing device 209 determines that the gamma ray detection signals (analog data signals) output from the CPTs 203a and 203b are caused by prompt gamma rays, the signal processing device 209 converts the gamma ray detection signals into digital signals and outputs them to the computer 210. .

ゲート信号生成回路508がゲート信号を発信している間、もしくは測定データがコンピュータ210のメモリに記録されている間に次のトリガー信号がゲート信号生成回路508に入力すると、測定データが正常に記録されない場合がある。そこで、ゲート信号の発信中と測定データの記録中には、信号判定部510a又は粒子線判定部512a,信号判定部510b又は粒子線判定部512b,信号判定部510c又は粒子線判定部512cにベト信号が発信される。ベト信号が信号判定部510a又は粒子線判定部512a,信号判定部510b又は粒子線判定部512b,信号判定部510c又は粒子線判定部512cに発信されると、トリガー条件を満たしていても、トリガー信号は発信されない。
ゲート信号の発信と測定データの記録が完了すると、信号判定部に発信されているベト信号は解除される。
If the next trigger signal is input to the gate signal generation circuit 508 while the gate signal generation circuit 508 transmits the gate signal or the measurement data is recorded in the memory of the computer 210, the measurement data is recorded normally. May not be. Therefore, during transmission of the gate signal and recording of the measurement data, the signal determination unit 510a or the particle beam determination unit 512a, the signal determination unit 510b or the particle beam determination unit 512b, the signal determination unit 510c, or the particle beam determination unit 512c A signal is emitted. Even if the trigger condition is satisfied, the trigger is generated when the signal is transmitted to the signal determination unit 510a or the particle beam determination unit 512a, the signal determination unit 510b or the particle beam determination unit 512b, the signal determination unit 510c, or the particle beam determination unit 512c. No signal is sent.
When the transmission of the gate signal and the recording of the measurement data are completed, the solid signal transmitted to the signal determination unit is canceled.

コンピュータ210は、メモリに記録された測定データを解析し、即発ガンマ線の発生源を特定する。コンピュータ210は、まずメモリに記録された測定データを用いて、a)コンプトン散乱の発生位置,b)散乱電子の軌跡,c)散乱電子のエネルギー,d)シンチレーションカウンタにおける散乱ガンマ線の入射位置,e)散乱ガンマ線のエネルギーを計算する。次にコンピュータはa)〜e)の情報を用いて、入射ガンマ線のエネルギーと入射ガンマ線の飛来方向を計算する。   The computer 210 analyzes the measurement data recorded in the memory and identifies the source of prompt gamma rays. The computer 210 first uses the measurement data recorded in the memory to a) a position where Compton scattering is generated, b) a locus of scattered electrons, c) energy of scattered electrons, d) an incident position of scattered gamma rays in a scintillation counter, e ) Calculate the energy of scattered gamma rays. Next, the computer calculates the energy of the incident gamma rays and the incident direction of the incident gamma rays using the information of a) to e).

飛来方向が計算されると、CPT203a,203bから見た即発ガンマ線の発生源位置を特定できる。即発ガンマ線の発生源位置は1次元,2次元もしくは3次元の画像として、コンピュータ210に備わったディスプレイ(表示装置)上に表示される。操作者はコンピュータ210に備わったディスプレイ上に表示された即発ガンマ線の発生位置画像を見て、陽子線の照射された位置を確認する。このように、コンピュータ210は、信号処理装置209で即発ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号を受け取ると、ガンマ線検出信号に基づいて、陽子線の照射によって生成されたガンマ線の発生位置(発生源)を求める照射野確認装置としての機能を有する。   When the flying direction is calculated, the position of the source of prompt gamma rays viewed from the CPTs 203a and 203b can be specified. The source position of prompt gamma rays is displayed on a display (display device) provided in the computer 210 as a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional image. The operator confirms the position irradiated with the proton beam by looking at the generation position image of the prompt gamma ray displayed on the display provided in the computer 210. As described above, when the computer 210 receives the gamma ray detection signal determined to be caused by the prompt gamma ray by the signal processing device 209, the computer 210 generates a generation position (generation source) of the gamma ray generated by the proton beam irradiation based on the gamma ray detection signal. ) As a radiation field confirmation device.

照射が完了すると、照射終了信号が粒子線照射システムの各機器に発信される。コンピュータ210が照射終了信号を受け取ると、メモリに記憶された測定データをファイルに書き出し、コンピュータ210に備わった記録媒体上に保存する。記録媒体上に保存した測定データのファイルを読み込むことで、コンピュータ210は即発ガンマ線の発生位置(患者に対する陽子ビームの照射位置に相当)を求め、その結果に基づいて、発生位置分布を再度画像化してディスプレイに表示する。   When irradiation is completed, an irradiation end signal is transmitted to each device of the particle beam irradiation system. When the computer 210 receives the irradiation end signal, the measurement data stored in the memory is written into a file and stored on a recording medium provided in the computer 210. By reading the measurement data file stored on the recording medium, the computer 210 obtains the prompt gamma ray generation position (corresponding to the irradiation position of the proton beam on the patient), and re-images the generation position distribution based on the result. On the display.

さらに、コンピュータ210はCPT203a,203bと信号処理装置209の電源をオフする。CPT203a,203bと信号処理装置209の電源がオフされたことを図2に示すロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206が確認すると、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206はCPT203a,203bとロボットアーム201a,201bを照射室の所定の場所に収納する。   Furthermore, the computer 210 turns off the power of the CPTs 203a and 203b and the signal processing device 209. When the drive control unit 206 of the robot arms 201a and 201b shown in FIG. 2 confirms that the powers of the CPT 203a and 203b and the signal processing unit 209 are turned off, the drive control unit 206 of the robot arms 201a and 201b is connected to the CPT 203a and 203b and the robot. The arms 201a and 201b are housed in predetermined places in the irradiation chamber.

このように、即発ガンマ線の測定は主に粒子線の照射中に行われる。照射中と比較して照射終了後における即発ガンマ線の発生量は減少するが、照射終了後に即発ガンマ線を測定することも可能である。その場合、コンピュータ210に照射終了信号が受信された後、操作者の所望する時間が経過するまで即発ガンマ線の測定が続けられる。操作者が所望する時間が経過すると、測定データが図5に示すコンピュータ210の記録媒体に保存され、CPT203a,203bの電源がオフされる。   As described above, prompt gamma rays are measured mainly during irradiation with particle beams. Although the amount of prompt gamma rays generated after completion of irradiation is reduced as compared with that during irradiation, it is also possible to measure prompt gamma rays after completion of irradiation. In that case, after the irradiation end signal is received by the computer 210, the measurement of prompt gamma rays is continued until the time desired by the operator elapses. When the time desired by the operator has elapsed, the measurement data is stored in the recording medium of the computer 210 shown in FIG. 5, and the power supplies of the CPTs 203a and 203b are turned off.

次に、照射に用いる粒子が炭素線の場合(陽子・炭素線発生装置101で生成する粒子線が炭素線の場合)について説明する。本実施例の粒子線照射システムは、照射に用いる粒子が炭素線であった場合、患者体内から発生する対消滅ガンマ線を同時計測することで患者体内における炭素線の照射位置を確認する。   Next, the case where the particle used for irradiation is a carbon beam (when the particle beam generated by the proton / carbon beam generator 101 is a carbon beam) will be described. In the particle beam irradiation system of the present embodiment, when the particle used for irradiation is a carbon beam, the irradiation position of the carbon beam in the patient body is confirmed by simultaneously measuring the pair annihilation gamma rays generated from the patient body.

まず情報i)照射粒子の種類(ここでは、炭素線)により、図2に示すロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は、照射に炭素線が用いられることを確認する。照射に炭素線が用いられることを確認したロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は、患者体内から発生する対消滅ガンマ線の計測に適切なCPT203a,203bの設置位置を算出する。   First, information i) The drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b shown in FIG. 2 confirms that a carbon beam is used for irradiation, depending on the type of irradiated particle (here, carbon beam). The drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b that has confirmed that the carbon beam is used for the irradiation calculates the installation positions of the CPTs 203a and 203b suitable for measuring the pair annihilation gamma rays generated from within the patient.

炭素線の照射時において、特に炭素線の飛程終端付近を確認したい場合に適切なCPT203a(図6では、605a),203b(図6では、605b)の設置位置を、図6で説明する。   FIG. 6 illustrates the installation positions of the CPT 203a (605a in FIG. 6) and 203b (605b in FIG. 6) suitable for confirming the vicinity of the end of the range of the carbon beam, particularly when irradiating the carbon beam.

炭素線601の計画線量分布602をビーム軸603上に射影したときに得られるビーム軸603方向に対して最も深い位置を位置604とする。適切なCPT203a,203bの設置位置とは、位置604とCPT203a,203bにおけるガンマ線検出面の中心位置606a,606bを結ぶ線分607a,607bが、ビーム軸603と垂直になる位置である。CPT203a,203bのガンマ線検出面は、ビーム軸603と平行である。さらに、1対のCPT203a,203bは、線分607aと線分607bが同一直線状に存在するように配置される。即ち、1対のCPT203a,203bは、互いに対向する位置に設置される。また、患者と接触しない程度に互いのCPT203a,203bをできるだけ近づけることが望まれる。   The deepest position with respect to the beam axis 603 direction obtained when the planned dose distribution 602 of the carbon beam 601 is projected onto the beam axis 603 is defined as a position 604. Appropriate installation positions of the CPTs 203a and 203b are positions where line segments 607a and 607b connecting the position 604 and the center positions 606a and 606b of the gamma ray detection surfaces of the CPTs 203a and 203b are perpendicular to the beam axis 603. The gamma ray detection surfaces of the CPTs 203a and 203b are parallel to the beam axis 603. Further, the pair of CPTs 203a and 203b are arranged such that the line segment 607a and the line segment 607b exist on the same straight line. That is, the pair of CPTs 203a and 203b are installed at positions facing each other. In addition, it is desirable that the CPTs 203a and 203b be as close as possible to the extent that they do not come into contact with the patient.

こうした条件に従って、図2のロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は、まず治療計画装置から得たiii)ガントリー回転角の情報から図6のビーム軸603を算出する。さらに、ii)計画線量分布から、位置604を算出する。算出したビーム軸603と位置604を用いて、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206は適切なCPT203a,203bの設置位置を算出する。   Under these conditions, the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b in FIG. 2 first calculates the beam axis 603 in FIG. 6 from the information of iii) gantry rotation angle obtained from the treatment planning device. Further, ii) a position 604 is calculated from the planned dose distribution. Using the calculated beam axis 603 and position 604, the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b calculates appropriate installation positions of the CPTs 203a and 203b.

図6を用いて説明したCPTの適切な設置位置は、特に炭素線の飛程終端付近を確認したい場合に有効である。その他の照射位置を確認したいとき、対向する1対のCPTの中心位置を図6で説明した位置と異なる位置にした方がよい場合がある。そういった場合、操作者は図2に示したロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206に備わったユーザーインターフェースを用いてCPT203a,203bを任意の位置に設置できる。   The appropriate installation position of the CPT described with reference to FIG. 6 is effective particularly when it is desired to confirm the vicinity of the end of the range of the carbon beam. When it is desired to check other irradiation positions, it may be better to set the center positions of the opposing pair of CPTs to positions different from the positions described in FIG. In such a case, the operator can install the CPTs 203a and 203b at arbitrary positions using the user interface provided in the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b shown in FIG.

的確なCPT203a,203bの位置が算出されると、駆動制御装置206がロボットアーム201a,201bを自動で駆動し、駆動制御装置206が計算した適切な位置にCPT203a,203bを設置する。CPT203a,203bの設置が完了すると、駆動制御装置206はコンピュータ210にCPT203a,203bの設置が完了したことを送信する。CPT203a,203bの設置完了を受信したコンピュータ210は、CPT203a,203bと信号処理装置209の電源をオンする。   When the accurate positions of the CPTs 203a and 203b are calculated, the drive control device 206 automatically drives the robot arms 201a and 201b, and the CPTs 203a and 203b are installed at appropriate positions calculated by the drive control device 206. When the installation of the CPTs 203a and 203b is completed, the drive control device 206 transmits to the computer 210 that the installation of the CPTs 203a and 203b is completed. Receiving the completion of installation of the CPTs 203a and 203b, the computer 210 turns on the CPTs 203a and 203b and the signal processing device 209.

CPT203a,203bの設置が完了し、CPT203a,203bの電源がオンされると、患者205への炭素線照射が可能になる。操作者が粒子線照射システムの操作卓から粒子線照射システムに患者への粒子線照射開始を指示すると、照射開始信号が図2に示したコンピュータ210に発信される。コンピュータ210が照射開始信号を受信すると、信号処理装置209にCPT203a,203bからの測定データ取得とコンピュータ210への測定データ送信を指示し、ガンマ線の測定を開始する。   When the installation of the CPTs 203a and 203b is completed and the CPTs 203a and 203b are turned on, the patient 205 can be irradiated with carbon rays. When the operator instructs the particle beam irradiation system to start the particle beam irradiation to the patient from the console of the particle beam irradiation system, an irradiation start signal is transmitted to the computer 210 shown in FIG. When the computer 210 receives the irradiation start signal, it instructs the signal processing device 209 to acquire measurement data from the CPTs 203a and 203b and transmit the measurement data to the computer 210, and starts measuring gamma rays.

患者205への炭素線照射が開始されると、患者205体内において炭素線の照射を受けた位置から、対消滅ガンマ線が発生する。   When the patient 205 is started to irradiate the carbon beam, a pair annihilation gamma ray is generated from the position where the patient 205 is irradiated with the carbon beam.

次に、CPTによる対消滅ガンマ線の検出手順を説明する。   Next, a procedure for detecting pair annihilation gamma rays by CPT will be described.

対消滅ガンマ線が図4に示すCPT203aの第1検出器であるTPC403でコンプトン散乱を起こさず、CPTの第2検出器であるシンチレーションカウンタ407に直接入射すると、GSO結晶408内で電磁シャワーを起こし、やがてすべて光電吸収される。GSO結晶408は、吸収した電磁シャワーのエネルギーに比例した数の光子(図示せず)を発生する。発生した光子は、光電子増倍管409で電気信号に変換される。電気信号の大きさは、変換した光子の数に比例する。すなわち、光電子増倍管409から得られる電気信号の大きさにより、各セグメント408a内における電磁シャワーのエネルギーを特定できる。電気信号は、信号処理装置209に出力される。また、各セグメント408aで得られた電磁シャワーのエネルギーから、電磁シャワーのエネルギー重心位置を算出できる。電磁シャワーのエネルギー重心位置を、対消滅ガンマ線の入射位置とする。さらに、各セグメント408aで得られた電磁シャワーのエネルギーを積分すると、対消滅ガンマ線401bのエネルギーを特定できる。このように、第1検出器でコンプトン散乱した即発ガンマ線を測定するときと同様の原理で、対消滅ガンマ線のエネルギーと入射位置が特定される。   When the pair annihilation gamma rays do not cause Compton scattering directly at the TPC 403 which is the first detector of the CPT 203a shown in FIG. 4 and directly enters the scintillation counter 407 which is the second detector of the CPT, an electromagnetic shower is caused in the GSO crystal 408, Eventually all will be photoelectrically absorbed. The GSO crystal 408 generates a number of photons (not shown) proportional to the absorbed energy of the electromagnetic shower. The generated photons are converted into electric signals by the photomultiplier tube 409. The magnitude of the electrical signal is proportional to the number of converted photons. That is, the energy of the electromagnetic shower in each segment 408a can be specified by the magnitude of the electrical signal obtained from the photomultiplier tube 409. The electric signal is output to the signal processing device 209. Further, the energy gravity center position of the electromagnetic shower can be calculated from the electromagnetic shower energy obtained in each segment 408a. The energy gravity center position of the electromagnetic shower is set as the incident position of the pair annihilation gamma ray. Further, by integrating the electromagnetic shower energy obtained in each segment 408a, the energy of the pair annihilation gamma ray 401b can be specified. In this manner, the energy and incident position of the pair annihilation gamma ray are specified based on the same principle as when measuring the prompt gamma ray that is Compton scattered by the first detector.

前述したように、1つの第2検出器だけではガンマ線の発生源位置を特定できない。しかしながら、本実施例では、図6に示した位置604を中心に、1対のCPTが互いに対向して配置している。従って対消滅ガンマ線が第1検出器でコンプトン散乱を起こさず通過し、第2検出器で検出されると、もう片方のCPTにおける第2検出器にも対消滅ガンマ線が入射し、対消滅ガンマ線のエネルギーと入射位置が特定される。   As described above, the position of the source of gamma rays cannot be specified with only one second detector. However, in this embodiment, a pair of CPTs are arranged opposite to each other around the position 604 shown in FIG. Therefore, when the pair annihilation gamma ray passes through the first detector without causing Compton scattering and is detected by the second detector, the pair annihilation gamma ray is incident on the second detector in the other CPT, and the pair annihilation gamma ray Energy and incident position are specified.

2つの対向する第2検出器において同時に検出された対消滅ガンマ線の入射位置を直線で結ぶと、対消滅ガンマ線の発生位置は直線状のどこかであると特定できる。さらに、複数の事象で得られた直線を重ねることで、対消滅ガンマ線の発生源位置を特定できる。このように、1対の第2検出器を用いると、対消滅ガンマ線の発生源位置を測定できる。これは、PET装置による対消滅ガンマ線の測定原理と同じである。   When the incident positions of the pair annihilation gamma rays simultaneously detected by the two opposing second detectors are connected with a straight line, the generation position of the pair annihilation gamma ray can be specified to be somewhere linear. Furthermore, the source position of the pair annihilation gamma ray can be specified by overlapping the straight lines obtained by a plurality of events. As described above, when the pair of second detectors is used, the position of the source of the pair annihilation gamma rays can be measured. This is the same as the measurement principle of the pair annihilation gamma ray by the PET apparatus.

対消滅ガンマ線のエネルギーは、511keVである。しかしながら、第1検出器で対消滅ガンマ線がコンプトン散乱を起こすと、第2検出器において測定される対消滅ガンマ線のエネルギーは511keV未満になる。このような対消滅ガンマ線のデータは、図2に示したコンピュータ210による解析の段階でノイズデータとして破棄される。従って、対消滅ガンマ線源である患者に対して、第1検出器が第2検出器の手前に配置されていることは、対消滅ガンマ線測定の妨げになることが懸念される。しかしながら、第2検出器の検出器効率に対して、第1検出器におけるコンプトン散乱の確率は十分小さい。従って、対消滅ガンマ線源である患者に対して第1検出器が第2検出器の手前に配置されていることは、第2検出器による対消滅ガンマ線測定の妨げにならない。   The energy of the pair annihilation gamma ray is 511 keV. However, when the pair annihilation gamma ray causes Compton scattering in the first detector, the energy of the pair annihilation gamma ray measured in the second detector becomes less than 511 keV. Such pair annihilation gamma ray data is discarded as noise data at the stage of analysis by the computer 210 shown in FIG. Therefore, there is a concern that the first detector placed in front of the second detector for a patient that is a pair of annihilation gamma ray sources may hinder measurement of pair annihilation gamma rays. However, the probability of Compton scattering at the first detector is sufficiently small relative to the detector efficiency of the second detector. Accordingly, the fact that the first detector is disposed in front of the second detector with respect to the patient that is the source of the pair annihilation gamma ray does not hinder the measurement of the pair annihilation gamma ray by the second detector.

次に、データの取得から照射位置確認までの手順を、図5で説明する。   Next, the procedure from data acquisition to irradiation position confirmation will be described with reference to FIG.

前述したように、切り替え制御装置511は、治療計画装置からi)照射粒子の情報を受け取り、切り替え制御装置511に備わったメモリに保存する。照射粒子が炭素線であった場合、切り替え制御装置511は、切り替え信号の出力を停止する。   As described above, the switching control device 511 receives i) irradiation particle information from the treatment planning device and stores it in the memory provided in the switching control device 511. If the irradiated particle is a carbon beam, the switching control device 511 stops outputting the switching signal.

判定装置506に入力したCPT203a,203bのアナログデータ信号は、ノイズ判定部509a,509b,509c,509dでデジタル信号化する。ノイズ判定部509a,509b,509c,509dは、操作者が設定した閾値以上の強度(又は、予め設定された範囲の値の強度)をもったアナログ信号が入力されると、デジタル信号を出力する機能を備えている。ノイズ判定部509a,509b,509c,509dから出力したデジタル回路は、信号判定部510a,510b,510cに入力する。   The analog data signals of the CPTs 203a and 203b input to the determination device 506 are converted into digital signals by the noise determination units 509a, 509b, 509c, and 509d. The noise determination units 509a, 509b, 509c, and 509d output a digital signal when an analog signal having an intensity equal to or higher than a threshold set by the operator (or an intensity of a value within a preset range) is input. It has a function. The digital circuits output from the noise determination units 509a, 509b, 509c, and 509d are input to the signal determination units 510a, 510b, and 510c.

信号判定部510cは、CPT203aの第2検出器208a及びCPT203bの第2検出器208bから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部510cから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512cに入力する。また、粒子線判定部512cには切り替え制御装置511からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部512cに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部510cからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、照射粒子が炭素線であった場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510c outputs a digital signal when digital signals derived from the analog data signal output from the second detector 208a of the CPT 203a and the second detector 208b of the CPT 203b are simultaneously input. The digital signal output from the signal determination unit 510c is input to the particle beam determination unit 512c. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512c. Therefore, when the switching signal is not input to the particle beam determination unit 512c, the digital signal from the signal determination unit 510c is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the irradiated particle is a carbon beam, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal.

従って、炭素線照射の場合におけるトリガー条件は、CPT203aの第2検出器208a(正確には、光電子増倍管)とCPT203bの第2検出器208bから、同時にアナログデータ信号が信号処理装置209に出力されることである。即ち、第2検出器208a,208bが同時にアナログデータ信号を出力した場合、これらのアナログデータ信号が一対の対消滅ガンマ線に起因する有効な信号と判定してデジタル信号を出力する。   Therefore, the trigger condition in the case of carbon beam irradiation is that an analog data signal is simultaneously output to the signal processing device 209 from the second detector 208a (more precisely, a photomultiplier tube) of the CPT 203a and the second detector 208b of the CPT 203b. It is to be done. That is, when the second detectors 208a and 208b output analog data signals at the same time, these analog data signals are determined to be effective signals due to a pair of annihilation gamma rays and a digital signal is output.

トリガー条件を満たすと、判定装置506からトリガー信号が出力される。トリガー信号がゲート信号生成回路508に入力すると、ゲート信号生成回路508からゲート信号が出力される。ADC507のゲート入力507aにゲート信号が入力すると、ゲート信号が発信されている間にADC507に入力したアナログデータ信号(即ち、各時間においてμPICの各位置で得られた電気信号強度,光電子増倍管の各チャンネルで得られた電気信号強度)の積分強度が、デジタルデータ信号に変換される。得られたデジタルデータ信号はコンピュータ210に送信され、コンピュータ210のメモリ(図示せず)に測定データとして記録される。このように、信号処理装置209は、CPT203a,203bから出力されるガンマ線検出信号(アナログデータ信号)が対消滅ガンマ線に起因すると判断すると、そのガンマ線検出信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ310に出力している。   When the trigger condition is satisfied, the determination device 506 outputs a trigger signal. When the trigger signal is input to the gate signal generation circuit 508, the gate signal is output from the gate signal generation circuit 508. When a gate signal is input to the gate input 507a of the ADC 507, the analog data signal input to the ADC 507 while the gate signal is being transmitted (that is, the electric signal intensity and photomultiplier tube obtained at each position of the μPIC at each time). The integrated intensity of the electrical signal intensity obtained in each channel is converted into a digital data signal. The obtained digital data signal is transmitted to the computer 210 and recorded as measurement data in a memory (not shown) of the computer 210. As described above, when the signal processing device 209 determines that the gamma ray detection signals (analog data signals) output from the CPTs 203a and 203b are caused by the pair annihilation gamma rays, the signal processing device 209 converts the gamma ray detection signals into digital signals and outputs them to the computer 310. is doing.

コンピュータ210は、メモリに記録された測定データを解析する。照射粒子が炭素線であることを治療計画装置から受信しているため、コンピュータ210は陽子線照射のときとは異なるアルゴリズムを用いて測定データの解析を行い、対消滅ガンマ線の発生源を特定する。対消滅ガンマ線の発生源位置は1次元,2次元もしくは3次元の画像として、コンピュータ210に備わったディスプレイ上に表示される。操作者はコンピュータ210に備わったディスプレイ上に表示された対消滅ガンマ線の発生位置画像を見て、炭素線の照射された位置を確認する。このように、コンピュータ310は、信号処理装置209で対消滅ガンマ線に起因すると判別されたガンマ線検出信号を受け取ると、ガンマ線検出信号に基づいて、炭素線の照射によって生成されたガンマ線の発生位置(発生源)を求める照射野確認装置としての機能を有する。   The computer 210 analyzes the measurement data recorded in the memory. Since the irradiation particle is received from the treatment planning apparatus that the irradiated particle is a carbon beam, the computer 210 analyzes the measurement data using an algorithm different from that used in the proton beam irradiation, and identifies the source of the pair annihilation gamma ray. . The generation source position of the pair annihilation gamma ray is displayed on a display provided in the computer 210 as a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional image. The operator looks at the generation position image of the pair annihilation gamma ray displayed on the display provided in the computer 210 and confirms the position irradiated with the carbon beam. As described above, when the computer 310 receives the gamma ray detection signal determined to be caused by the pair annihilation gamma ray by the signal processing device 209, the computer 310 generates the generation position (occurrence of the gamma ray generated by the irradiation of the carbon ray based on the gamma ray detection signal. It has a function as an irradiation field confirmation device for obtaining a source.

照射中は即発ガンマ線の計数率が対消滅ガンマ線の計数率に対して高く、CPTの第2検出器による対消滅ガンマ線の測定が阻害される。従って、対消滅ガンマ線の測定は即発ガンマ線の少ない照射終了後をメインに行う。陽電子放射核種の寿命はガンマ線放射核種の寿命と比較して長いため、対消滅ガンマ線の測定は照射終了後でも十分可能である。   During irradiation, the count rate of prompt gamma rays is higher than the count rate of annihilation gamma rays, and measurement of the pair annihilation gamma rays by the second CPT detector is obstructed. Therefore, the measurement of pair annihilation gamma rays is performed mainly after the end of irradiation with less prompt gamma rays. Since the lifetime of positron emitting nuclides is longer than that of gamma-ray emitting nuclides, measurement of pair annihilation gamma rays is possible even after the end of irradiation.

図5に示すコンピュータ210に照射終了信号が受信されると、操作者の所望する時間が経過するまで対消滅ガンマ線の測定が続けられる。操作者が所望する時間が経過すると、メモリに記憶された測定データをファイルに書き出し、コンピュータ210に備わった記録媒体上に保存する。記録媒体上に保存した測定データのファイルを読み込むことで、コンピュータ210は対消滅ガンマ線の発生位置(患者に対する炭素線の照射位置に相当)を求め、その結果に基づいて、発生位置分布を再度画像化してディスプレイに表示できる。   When the irradiation end signal is received by the computer 210 shown in FIG. 5, the measurement of the annihilation gamma ray is continued until the time desired by the operator has elapsed. When the time desired by the operator elapses, the measurement data stored in the memory is written into a file and stored on a recording medium provided in the computer 210. By reading the measurement data file stored on the recording medium, the computer 210 obtains the generation position of the annihilation gamma ray (corresponding to the irradiation position of the carbon beam on the patient), and based on the result, re-images the generation position distribution. Can be displayed on the display.

さらに、コンピュータ210はCPT203a,203bと信号処理装置209の電源をオフする。CPT203a,203bと信号処理装置209の電源がオフされたことを図2に示すロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206が確認すると、ロボットアーム201a,201bの駆動制御装置206はCPT203a,203bとロボットアーム201a,201bを照射室の所定の場所に収納する。   Furthermore, the computer 210 turns off the power of the CPTs 203a and 203b and the signal processing device 209. When the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b shown in FIG. 2 confirms that the power of the CPT 203a and 203b and the signal processing device 209 is turned off, the drive control device 206 of the robot arms 201a and 201b is connected to the CPT 203a and 203b and the robot. The arms 201a and 201b are housed in predetermined places in the irradiation chamber.

以下、本発明の他の実施例を、粒子線照射システムの1種である陽子線・炭素線照射システムを例に説明する。   Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described by taking a proton beam / carbon beam irradiation system, which is a kind of particle beam irradiation system, as an example.

本実施例の陽子・炭素線照射システムは、実施例1の陽子線・炭素線照射システムと同様の構成を有するが、信号処理装置209の機能が実施例1と異なる。実施例1の信号処理装置209は、図5に示すように、照射される粒子の種類(炭素線又は陽子線等)によってトリガー条件を変更していた。実施例1で述べたように、陽子線の照射時に測定される即発ガンマ線は主に照射中(即ち、粒子線の出射中)、炭素線の照射時に測定される対消滅ガンマ線は照射後(即ち、粒子線の出射停止中)に測定される。従って、本実施例の信号処理装置209は、トリガー条件の変更を粒子線の出射中か否かで変更する。以下、実施例1と異なる機能について詳細に説明する。   The proton / carbon beam irradiation system of the present embodiment has the same configuration as the proton beam / carbon beam irradiation system of the first embodiment, but the function of the signal processing device 209 is different from that of the first embodiment. As shown in FIG. 5, the signal processing apparatus 209 according to the first embodiment changes the trigger condition depending on the type of particles to be irradiated (carbon beam, proton beam, or the like). As described in Example 1, prompt gamma rays measured during proton beam irradiation are mainly during irradiation (ie, during particle beam emission), and paired annihilation gamma rays measured during carbon beam irradiation are after irradiation (ie, , While the particle beam emission is stopped). Therefore, the signal processing device 209 according to the present embodiment changes the trigger condition depending on whether or not the particle beam is being emitted. Hereinafter, functions different from those of the first embodiment will be described in detail.

本実施例の切り替え制御装置511は、粒子線照射システムの制御装置(図示せず)から粒子線の出射オン・オフ信号を受け取り、切り替え制御装置511に備わったメモリに保存する。粒子線照射システムが粒子線を出射中であった場合、切り替え制御装置511は切り替え信号を出力する。シンクロトロンの場合、出射オン・オフ信号とは、シンクロトロンに設置されたビーム出射用の高周波印加装置に対する出射開始信号(出射オン信号),出射停止信号(出射オフ信号)が考えられる。   The switching control device 511 of the present embodiment receives a particle beam emission on / off signal from a control device (not shown) of the particle beam irradiation system, and stores it in a memory provided in the switching control device 511. When the particle beam irradiation system is emitting a particle beam, the switching control device 511 outputs a switching signal. In the case of the synchrotron, the output on / off signal may be an output start signal (output on signal) and an output stop signal (output off signal) for a high-frequency beam application device installed in the synchrotron.

信号判定部510aは、CPT203aの第1検出器207aと第2検出器208aから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部510aから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512aに入力する。また、粒子線判定部512aには切り替え制御装置511からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部512aに切り替え信号が入力された場合、信号判定部510aからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、粒子線が出射中であった場合、信号判定部510aからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510a outputs a digital signal when digital signals derived from analog data signals output from the first detector 207a and the second detector 208a of the CPT 203a are simultaneously input. The digital signal output from the signal determination unit 510a is input to the particle beam determination unit 512a. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512a. Therefore, when a switching signal is input to the particle beam determination unit 512a, a digital signal from the signal determination unit 510a is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the particle beam is being emitted, a digital signal from the signal determination unit 510a is output from the determination device 506 as a trigger signal.

信号判定部510bは、CPT203bの第1検出器207bと第2検出器208bから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部510bから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512bに入力する。また、粒子線判定部512bには切り替え制御装置511からの切り替え信号が入力される。従って、粒子線判定部512bに切り替え信号が入力された場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、粒子線が出射中であった場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510b outputs a digital signal when digital signals derived from the analog data signals output from the first detector 207b and the second detector 208b of the CPT 203b are input simultaneously. The digital signal output from the signal determination unit 510b is input to the particle beam determination unit 512b. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512b. Therefore, when a switching signal is input to the particle beam determination unit 512b, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the particle beam is being emitted, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal.

信号判定部510cは、CPT203aの第2検出器208aとCPT203bの第2検出器208bから出力されたアナログデータ信号に由来するデジタル信号が同時に入力したときに、デジタル信号を出力する。信号判定部510cから出力されたデジタル信号は、粒子線判定部512cに入力する。また、粒子線判定部512cには切り替え制御装置511からの切り替え信号がベト入力される。従って、粒子線判定部512cに切り替え信号が入力されなかった場合、信号判定部510cからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。即ち、粒子線が出射停止中であった場合、信号判定部510bからのデジタル信号がトリガー信号として判定装置506から出力される。   The signal determination unit 510c outputs a digital signal when digital signals derived from analog data signals output from the second detector 208a of the CPT 203a and the second detector 208b of the CPT 203b are simultaneously input. The digital signal output from the signal determination unit 510c is input to the particle beam determination unit 512c. In addition, a switching signal from the switching control device 511 is input to the particle beam determination unit 512c. Therefore, when the switching signal is not input to the particle beam determination unit 512c, the digital signal from the signal determination unit 510c is output from the determination device 506 as a trigger signal. That is, when the particle beam is stopped from being emitted, a digital signal from the signal determination unit 510b is output from the determination device 506 as a trigger signal.

即ち、トリガー条件は粒子線が出射中か否かで決定する。   That is, the trigger condition is determined by whether or not the particle beam is being emitted.

コンピュータ210は、出射中の測定データと出射停止中の測定データを、別々のデータとしてメモリに記録する。陽子線を照射した場合、コンピュータ210は粒子線出射中の測定データを解析して即発ガンマ線の発生位置分布を特定し、陽子線の照射位置を確認する。炭素線を照射した場合、コンピュータ210は粒子線出射停止中のデータを解析して対消滅ガンマ線の発生位置分布を特定し、炭素線の照射位置を確認する。ここで、炭素線を照射した場合の「粒子線出射停止中の測定データ」とは、照射終了信号を受信した後の照射終了後の一定期間の測定データであってもよい。   The computer 210 records measurement data during extraction and measurement data during extraction stop in a memory as separate data. When the proton beam is irradiated, the computer 210 analyzes the measurement data during the particle beam emission, identifies the generation position distribution of prompt gamma rays, and confirms the irradiation position of the proton beam. When the carbon beam is irradiated, the computer 210 analyzes the data when the particle beam emission is stopped, identifies the generation position distribution of the pair annihilation gamma rays, and confirms the irradiation position of the carbon beam. Here, the “measurement data when particle beam emission is stopped” in the case of irradiation with a carbon beam may be measurement data for a certain period after the end of irradiation after receiving the irradiation end signal.

このように、粒子線の出射中と出射停止中で判定装置506のトリガー条件を切り替えると、照射粒子に適した照射位置の確認手段を、1つの機器(即ち、1対のCPT203a,203b)で実現できる。   As described above, when the trigger condition of the determination device 506 is switched while the particle beam is being emitted and stopped, the irradiation position confirmation unit suitable for the irradiation particle can be obtained with one device (that is, a pair of CPTs 203a and 203b). realizable.

本実施例によれば、実施例1と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

本発明の好適な一実施例である陽子・炭素線照射システムの構成図である。It is a block diagram of the proton and carbon beam irradiation system which is one suitable Example of this invention. 図1に示す患者が粒子線の照射を受ける、照射室の構成図である。It is a block diagram of an irradiation chamber where the patient shown in FIG. 1 receives irradiation of a particle beam. 図2に示すコンプトンカメラの、陽子線照射時における設置位置を説明する図である。It is a figure explaining the installation position at the time of proton beam irradiation of the Compton camera shown in FIG. 図2に示すコンプトンカメラの構成図である。It is a block diagram of the Compton camera shown in FIG. 図2に示すコンプトンカメラから、測定データを読み出す回路の構成図である。It is a block diagram of the circuit which reads measurement data from the Compton camera shown in FIG. 図2に示すコンプトンカメラの、炭素線照射時における設置位置を説明する図である。It is a figure explaining the installation position at the time of carbon beam irradiation of the Compton camera shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 陽子・炭素線発生装置
101a 前段加速器
101b シンクロトロン
102 ビーム輸送装置
102a 出射用デフレクタ
102b ビーム径路
103 回転式照射装置
104 照射野形成装置
105,205 患者
106,204 患者カウチ
201a,201b ロボットアーム
202a,202b 可動部
203a,203b コンプトンカメラ
206 駆動制御装置
207a,207b 第1検出器
208a,208b 第2検出器
209 信号処理装置
210 コンピュータ
301 陽子線
302 陽子線の計画線量分布
303,603 ビーム軸
306,606a,606b コンプトンカメラにおけるガンマ線検出面の中心位置
307 直線
401 ガンマ線
403 タイムプロジェクションチェンバー
404 散乱電子
405 2次電子
406 マイクロピクセルチェンバー
407 シンチレーションカウンタ
408 GSO結晶
409 光電子増倍管
506 判定装置
507 アナログデジタルコンバータ
507a ゲート入力
508 ゲート信号生成回路
509a,509b,509c,509d ノイズ判定部
510a,510b,510c 信号判定部
511 切り替え制御装置
512a,512b,512c 粒子線判定部
601 炭素線
602 炭素線の計画線量分布
607a,607b 線分
101 proton / carbon beam generator 101a front accelerator 101b synchrotron 102 beam transport device 102a exit deflector 102b beam path 103 rotary irradiation device 104 irradiation field forming device 105, 205 patient 106, 204 patient couch 201a, 201b robot arm 202a, 202b Movable part 203a, 203b Compton camera 206 Drive control device 207a, 207b First detector 208a, 208b Second detector 209 Signal processor 210 Computer 301 Proton beam 302 Proton beam dose distribution 303, 603 Beam axes 306, 606a , 606b Center position 307 of gamma ray detection surface in Compton camera Straight line 401 Gamma ray 403 Time projection chamber 404 Scattered electron 405 Secondary electron 406 Micro Pixel chamber 407 Scintillation counter 408 GSO crystal 409 Photomultiplier tube 506 Judgment device 507 Analog digital converter 507a Gate input 508 Gate signal generation circuit 509a, 509b, 509c, 509d Noise judgment unit 510a, 510b, 510c Signal judgment unit 511 Switching control device 512a, 512b, 512c Particle beam determination unit 601 Carbon beam 602 Planned dose distribution 607a, 607b of carbon beam

Claims (7)

複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
前記ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号が即発ガンマ線又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する信号処理装置と、
前記信号処理装置で即発ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号が入力されると、前記ガンマ線検出信号から第1の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、前記対消滅ガンマ線に起因すると判別された前記ガンマ線検出信号が入力されると、前記ガンマ線検出信号から第2の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求める照射野確認装置を備えることを特徴とする粒子線照射システム。
A particle beam generator for generating multiple types of particle beams;
An irradiation device for emitting the particle beam generated by the particle beam generator to an irradiation target;
A plurality of gamma ray detectors for detecting gamma rays generated from the irradiation object based on the particle beam emitted from the irradiation device;
A signal processing device for determining whether a gamma ray detection signal output from the gamma ray detector is caused by prompt gamma rays or pair annihilation gamma rays;
When the gamma ray detection signal determined to be caused by the prompt gamma ray by the signal processing device is input, the generation position of the prompt gamma ray based on the first particle beam is obtained from the gamma ray detection signal, and caused by the pair annihilation gamma ray. A particle beam irradiation system comprising: an irradiation field confirmation device that obtains a generation position of a pair annihilation gamma ray based on a second particle beam from the gamma ray detection signal when the determined gamma ray detection signal is input.
前記信号処理装置は、
前記粒子線発生装置で生成する粒子線の種類に応じて、前記ガンマ線検出信号が即発ガンマ線に起因するか又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別することを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。
The signal processing device includes:
2. The particle according to claim 1, wherein it is determined whether the gamma ray detection signal is caused by an prompt gamma ray or an annihilation gamma ray in accordance with a type of particle beam generated by the particle beam generator. X-ray irradiation system.
前記信号処理装置は、
前記照射装置が炭素線を出射するときは、照射終了後に前記ガンマ線検出器から出力されるガンマ線検出信号を対消滅ガンマ線に起因すると判別し、
前記照射野確認装置は、
判別された前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記対消滅ガンマ線の発生位置を求めることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の粒子線照射システム。
The signal processing device includes:
When the irradiation device emits a carbon beam, it is determined that the gamma ray detection signal output from the gamma ray detector after the irradiation is terminated due to the pair annihilation gamma rays,
The irradiation field confirmation device
The particle beam irradiation system according to claim 1 or 2, wherein a generation position of the pair annihilation gamma rays is obtained based on the determined gamma ray detection signal.
前記信号処理装置は、
前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記ガンマ線検出器で検出されたガンマ線が所定のエネルギーであるかを判別するノイズ判定部と、
前記粒子線発生装置で生成する粒子線の種類に応じて、前記ガンマ線検出信号が即発ガンマ線に起因するか又は対消滅ガンマ線に起因するかを判別する粒子線判別部とを有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の粒子線照射システム。
The signal processing device includes:
A noise determination unit that determines whether the gamma ray detected by the gamma ray detector has a predetermined energy based on the gamma ray detection signal;
A particle beam discriminating unit for discriminating whether the gamma ray detection signal is caused by prompt gamma rays or annihilation gamma rays according to the type of particle beam generated by the particle beam generator. The particle beam irradiation system according to any one of claims 1 to 3.
前記ガンマ線検出器は、第1検出器及び第2検出器を有するコンプトンカメラであり、 前記照射野確認装置は、
前記第1検出器及び前記第2検出器からのガンマ線検出信号に基づいて、前記第1の粒子線に基づく即発ガンマ線の発生位置を求め、
前記第2検出器からのガンマ線検出信号に基づいて、前記第2の粒子線に基づく対消滅ガンマ線の発生位置を求めることを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。
The gamma ray detector is a Compton camera having a first detector and a second detector, and the irradiation field confirmation device comprises:
Based on the gamma ray detection signals from the first detector and the second detector, the generation position of the prompt gamma ray based on the first particle beam is obtained,
2. The particle beam irradiation system according to claim 1, wherein a generation position of a pair annihilation gamma ray based on the second particle beam is obtained based on a gamma ray detection signal from the second detector.
複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
前記粒子線発生装置で生成する照射粒子に応じて、前記ガンマ線検出器から測定データを取得する条件を切り替えることを特徴とする粒子線照射システム。
A particle beam generator for generating multiple types of particle beams;
An irradiation device for emitting the particle beam generated by the particle beam generator to an irradiation target;
A plurality of gamma ray detectors for detecting gamma rays generated from the irradiation object based on the particle beam emitted from the irradiation device;
A particle beam irradiation system, wherein conditions for acquiring measurement data from the gamma ray detector are switched according to irradiation particles generated by the particle beam generator.
複数種の粒子線を生成する粒子線発生装置と、
前記粒子線発生装置で生成した粒子線を照射対象に出射する照射装置と、
前記照射装置から出射された粒子線に基づいて前記照射対象から発生するガンマ線を検出する複数のガンマ線検出器と、
粒子線の出射中と出射停止中でガンマ線検出器から測定データを取得する条件を切り替えることを特徴とする粒子線照射システム。
A particle beam generator for generating multiple types of particle beams;
An irradiation device for emitting the particle beam generated by the particle beam generator to an irradiation target;
A plurality of gamma ray detectors for detecting gamma rays generated from the irradiation object based on the particle beam emitted from the irradiation device;
A particle beam irradiation system, wherein conditions for acquiring measurement data from a gamma ray detector are switched while the particle beam is emitted and stopped.
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