粒子線治療における線量測定の高度化に向けた検出器開発計画放射線医学総合研究所加速器物理工学部吉本光男 ‹#› 1.粒子線治療の特徴ワブラ電磁石と散乱体横方向に拡大リッジフィルタ拡大ブラッグピーク形成ボーラスビーム停止位置をがん形状に合わせる・(荷電)粒子線はブラッグピークと呼ばれる飛程近傍に限局した線量分布を持つ・病巣への線量集中性に優れる一方、照射には高い信頼性が要求される ‹#› 重粒子線照射装置 2.粒子線治療における線量測定の目的 1.治療ビームの品質管理治療用ビームの線量分布が計画通りである事を実測により確認し、誤照射を防止する 2.線量モニタの校正治療照射時に照射したビームの線量をモニターする線量モニタの出力と、患者校正深(拡大ブラッグピーク中央）における水吸収線量の比の測定により線量モニタを校正する拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）病巣の幅に合わせて停止範囲を拡大 ‹#› 3．現在の線量測定 (1)測定方法 ● Co線源で校正されているリファレンス線量計により校正された「多層電離箱」により、横方向の強度分布が「平坦」なビームの深さ方向の線量分布64点(水等価深27cm)を一度に測定する。測定結果の例多層電離箱(図は試作機) ‹#› 3．現在の線量測定 (2)問題点 ● ● ● 現在の測定では「平坦」な線量分布の測定のみ実施している。一方、実際の治療では病巣の形状に合わせてビームを止めるために、「ボーラス」と呼ばれるポリエチレンブロックにより残飛程を調整しており、線量分布は３次元的に非一様となる。現状の測定方法では、実際の治療で用いられる３次元的に非一様な線量分布の測定が出来ない。 ‹#› 4．今後の線量測定の目標 ● – – 粒子線治療の信頼性向上のために、従来測定が困難であった、短時間での３次元線量分布測定を可能にする技術を開発する。上記目標達成のために、横方向の線量分布を一度に測定できる２次元位置敏感型線量計を開発する。２次元位置敏感型線量計と、厚さ可変のエネルギー吸収体の組み合わせにより、短時間での３次元線量分布測定(横方向２次元＋深さ方向１次元)を実現する。 ‹#› 5．２次元線量測定方式の候補 1.従来検討していた方式ＣＣＤ+スクリーンシステム」検出媒体：プラスチックシンチレータ信号読出：冷却CCDカメラ 2.現在検討中の方式(1) 「ピクセルセグメント型電離箱」平行平板型電離箱をピクセル状に並べたもの 3.現在検討中の方式(2) 「GEMシンチレーション検出器」検出媒体：ＧＥＭ＋ガスシンチレータ信号読出：冷却ＣＣＤカメラ ‹#› 「重粒子線 5-1.ＣＣＤ+スクリーンシステム (考案:KVI,Groningen, 従来検討していた方式) 深さ方向のシンチレーション光の分布をCCDカメラで測定し、２次元の残飛程分布を測定する。シンチレータの特徴利点：横方向の２次元の測定が可能欠点：線量に対する応答が非線形 CCD camera compensator patient collimator degrader (binary filters) scintillator シンチレーション光 mirror シンチレータの発光量とエネルギー付与の関係 ‹#› 実験装置の概略 5-1(2)重粒子線の飛程推定方法光量分布のピーク位置から線量分布のピーク位置を推定する d(xw0)=d(xw0+dw) xw0 xw0+dw 線量分布ピーク=光量分布ピーク＋シンチ厚 ‹#› 5-1(3)平坦な単色ビームの飛程確認 ROI(155,139)-(232,216) の平均光量分布実験方法３次元光量分布・一様な照射野の３次元光量分布を測定・光量分布ピーク位置から予想される線量分布ピーク位置を実測値と比較 ‹#› 5-1(3)平坦な単色ビームの飛程確認実験結果(C140単色ビーム,シンチレータ水等価厚1.02mm) 12 2.0 10 C 140MeV/u Monoenergy Beam -3 measurement(PPIC) calculation(HIBRAC) ピーク実測位置 37.93mm Dose [Gy/count] 1.5 10-3 1.0 10-3 5.0 10-4 0.0 100 0 10 20 30 40 50 60 Depth [mmWE] 深部線量分布測定結果 (平行平板電離箱) ピーク推定位置 38.22mm ・線量分布ピーク実測位置・線量分布ピーク推定位置・推定位置の誤差 ‹#› 37.93mm 38.22mm +0.29mm 誤差1mm以内で飛程を推定できた 5-1(4)平坦なSOBPビームの飛程確認 ROI(155,139)-(232,216) の平均光量分布・ＳＯＢＰ(拡大ブラッグピーク) ３次元光量分布の場合、ピーク領域下流では高dE/dx のビームの寄与が多くなり、ｸｪﾝﾁﾝｸﾞによる光量の減少が顕著になり、最下流位置での分布形状がなまる・さらに光学系の点広がり効果の影響を受けると、非一様線量分布での最下流位置の検出は困難になる。 ‹#› 5-1(5)非一様な単色ビームの測定４種類の異なる厚さを持つファントム材(ルサイト)による非一様照射野の３次元光量分布を測定 depth-light distributions 0.3 0 11.6 relative dose 0mm 11.6mm 23.2mm 34.8mm 11.6mm shift 23.2mm shift 34.8mm shift 0.25 light output/count, relative dose 34.8 23.2 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 左上領域の位置推定結果ピーク推定位置 37.30 ピーク実測位置 37.93 誤差 -0.63 10 20 30 40 depth[mmWE] 各領域の光量分布 (ROI 400pixの平均) その他の領域では測定点間隔が長過ぎた( 約3cm)ため、十分な精度での推定が出来ていない３次元光量分布 ‹#› 50 5-1(6)問題点 ● ● ● 治療に用いられるSOBPビームではSOBP領域の下流でdE/dx依存の非線形応答が顕著になり、最下流位置の検出が難しい光学レンズ系による点広がり効果により、約インパルス入力が直径約2mm程度に広がってしまうため、残飛程の変化が急激な場所の近傍では光が混合して正確な飛程の測定が難しい。シンチレータの非線形応答のため、線量自体の測定は困難 ‹#› 5-2 ピクセルセグメント型電離箱(PXC) 開発主体：イタリア国立核物理研究所(INFN) TERA Torino Group http://www.to.infn.it/activities/experiments/tera/ ● ● ● イタリアの粒子線治療施設建設計画(TERA Project)で採用が予定されている平行平板型電離箱をピクセル状に配置する事により２次元の線量分布測定が可能検出方式は従来の線量測定にも使用されている電離箱で、信頼性と安定性に優れている ‹#› 5-2 (2) 電離箱本体の仕様(1/2) • 測定可能な照射野最大24×24cm2 • チャンネル数 32×32 = 1024ch • 測定点間隔 7.5mm • HV: -400V • 全体の大きさ 650×650mm2, 奥行20mm • 全体の材質プレクシグラス pixel-segmented ionization chamber (PXC) 5-2(2)電離箱本体の仕様（２/2） • 陽極ガラスエポキシ基板、銅 (片面が電極面、反対面の信号線でreadoutに接続) • 陰極アルミナイズドマイラー • ギャップ: holed layer 直径4mm, ギャップの幅5.5mm 有感領域体積 0.07cm3 Exploded view of the PXC. 5-2(3)信号の変換とデータ収集 • 信号をパルスに変換(I/F変換) 100fC～800fC/pulse (可変) • 各ピクセルのパルス出力を16bitカウンタに入力 • 64ch分のデータをVLSIチップにまとめて記録 • 測定中は常時、全ピクセルのデータをラッチ、記録可能 • 測定データはバスを通してPCI カードからＰＣに取り込まれる。 (読込み時間500μs) Computer display during a typical data acquisition session. (LabVIEW) 5-2(4)測定結果の再現性 • 測定1 60Co照射施設で１ヶ月間、毎日測定した →測定結果のばらつきは0.5%以内(1σ)だった • 測定2 7ヶ月間の期間中に、3つの病院のそれぞれ異なるリニアック(6MV)で校正を行った結果、ばらつきは 1.3%(1σ)だった 5-2(5)リファレンス線量計との比較 (6MV X線） TMR(組織最大線量比):深さ方向の相対線量分布 TMR(d,A)=D(d,A)/Ddmax(A) リファレンス線量計とのずれ0.4%以内測定の誤差(0.5%)の範囲内で一致 TMR data obtained with a 12×12 cm2 field of a 6 MV x-ray beam, using a Farmer chamber(△) and the PXC(○). 5-2(6)ビームプロファイルの比較 10×10cm2の照射野では直径4mmのPXCで十分な精度の測定ができた。今後は小照射野での性能評価を行う必要がある。テール領域での結果が水カラム測定とよく一致していることから多チャンネル読出しのクロストークがない事が分かる Comparison of beam profiles measured with an ionization chamber in a water phantom (－) and with the PXC (○). The irradiations were performed in a MV x-ray beam at dmax and 10×10 cm2 field size. The results are normalized to the central beam axis. 5-2(7)PXCのまとめと検討課題まとめ・大照射野(24cm×24cm)測定用ﾋﾟｸｾﾙｾｸﾞﾒﾝﾄ型電離箱(PXC)が開発された。・出力の線量や線量率に対する線形性(説明省略)、感度の安定性に優れている。・リファレンス線量計と比較により、治療用線量計として十分な精度の測定が可能である事が確かめらた。検討課題・小照射野(3cm×3cm)の位置敏感型線量測定を行うためには測定点間隔をさらに小さくする必要がある。・大量の信号読出し素子(I/F変換回路)を使用するため、高コストになる可能性がある(未調査)。・中性子線やγ線によるDAQ系の誤動作や故障などが懸念される。 5-3 GEMシンチレーション検出器開発主体：オランダGroningen大学 KVI http://www.kvi.nl • 従来開発していた CCD+スクリーンシステムでは無機シンチレータ(Gd2O2S:Tb)の応答が線質(エネルギー付与スペクトル)に依存するため、線量自体の測定は困難であった。 • この欠点を改善するため、dE/dxに対する応答の線形性に優れた気体シンチレータを採用した。 • 気体シンチレータは発光量が少ないため、GEMで電子雪崩を発生させる事により収量を増加させた。 • 信号読出しには、従来CCD+スクリーンシステムで採用していた冷却CCDカメラを採用した。 5-3(2) GEMシンチレーション検出器ブラッグピークの測定シンチスクリーン：7%のクェンチング GEMシンチ：２%のオーバーシュート GEMシンチではdE/dxに対する線形成が向上し、治療に必要な線量測定の精度(3%)を満たしている。 J.H. Timmer et al, Nucl. Instr. and Meth. A478(2002)98 T.C. Delvigne, et al, KVI Annual Report 2003, p.83 ‹#› 5-3(3) GEMシンチレーション検出器光収量の比較位置毎の感度のばらつき Ar-CO2混合ガス使用、平坦な線量 Ar-CH4混合ガス使用 GEMの印加電圧350Vでシンチスク分布を測定リーンと同程度の収量が得られた →最大10%の感度(ガス増幅率)のばらつきがみられた(GEM固有で再現性がある) ‹#› 5-3(4)GEMシンチのまとめと検討課題まとめ・GEMを用いたガスシンチレータによる２次元線量計が開発された。・従来のシンチスクリーンに比べて応答の線形性が向上した。検討課題・GEMの位置毎の感度のばらつきの補正方法を検討する必要がある・光学レンズ系や雪崩電子の拡散による位置分解能の劣化の評価と補正方法を検討する必要がある・ビームの強度の増加に伴って、ＧＥＭ電極の電流量が増加し、分割抵抗での電圧降下により、ガス増幅率が低下する事が指摘されている。そのため、印加電圧を安定化するための工夫が必要 6.今後の予定ピクセル型電離箱・測定間隔の改善の可能性の検討・読出し素子の調達コストの調査 GEMシンチ検出器・試験項目の検討・ガス組成とCCD素子の選定・収量の見積もり・実証機の基本仕様の決定・基本設計・詳細設計、製作(メーカーに発注) ・GEMガスシンチチェンバー単体試験・GEMシンチ＋CCDでビーム測定試験実施・実用化の見込みがある場合は測定の自動化 ‹#›