WO2008038662A1

WO2008038662A1 - Radiation dosimeter and radiation dose computing program

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Publication number: WO2008038662A1
Application number: PCT/JP2007/068675
Authority: WO
Inventors: Masayori Ishikawa
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2009-03-26
Also published as: US8044357B2; US20100038547A1; JPWO2008038662A1; EP2077457B1; JP4766407B2; EP2077457A1; EP2077457A4

Description

明細書

放射線線量計および放射線線量計算プログラム

技術分野

[0001] 本発明は、シンチレータを用いた電離放射線吸収線量の検出に関する。

背景技術

[0002] 電離放射線を測定する方法として、放射線治療の分野では一般的に電離箱が用いられている。電離箱は、微小体積に含まれる空気が放射線によって電離された際の電荷を数百ボルトの高電圧によって収集する測定装置であり、収集した電荷量によって吸収線量を評価してレ、る。

[0003] 一方、吸収線量を測定する手段として、固体検出器を用いた方法も行われており、例えば、特許文献 1には、シンチレータと光ファイバを組み合わせた検出器が示されている。この検出器では、シンチレータが放射線の電離作用によって発光し、かつ、発光量が電離量 (吸収線量)と比例関係にあることを利用して、発光量を測定することにより吸収線量を評価している。なお、発光量の測定には光電子増倍管を用い、発光量を電流量に変換して!/、る。

[0004] また、シンチレータを用いた熱中性子束のカウントについては、特許文献 2に示されている。

[0005] 上述の特許文献 1では、発光量を電流量に変換した際の電流量が極微小である場合には、 ω発光量を増やす、（ϋ)電流変換後の増幅率を大きくする、（iii)高精度の電流計を用いる、などの対策が必要であった。

[0006] (i)の発光量を増やすと!/、う対策は、シンチレータを大きくすることによって実現する力 S、シンチレータを大きくすると極微小領域の測定は不利となる。また、（ii)、（iii)では、それぞれ高額な電気機器が必要となる。

[0007] ここで、特許文献 1は特表 2004— 526155号公報、特許文献 2は国際公開 WO20 05/008287号公報である。

発明の開示

[0008] 本発明に係る放射線線量計は、入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電気変換器と、この光電気変換器からの出力について、その強度が所定のしきい値以上のイベント数をカウントするカウンタと、このカウンタによるカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求める吸収線量算出部と、を有することを特徴とする。

[0009] また、本発明は、上述のような吸収線量をコンピュータにより検出するためのプログラムおよびそのプログラムを記録した媒体に関する。

[0010] 本発明では、電離放射線によってシンチレータ内部での光電効果による発光がほとんど生じな!/、シンチレータからの発光力所定のしきレ、値を超える発光強度に於!/ヽて生じるイベント数を計数することによって、吸収線量に変換している。従って、比較的小さなシンチレータを利用して、かつ比較的簡単な回路を利用して広範囲の電離放射線量を検出することができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]実施形態に係る放射線線量計の構成を示す図である。

[図 2]BGOシンチレーシヨン検出器による _Ί線のエネルギースペクトルを示す図であ

[図 3]水中における Ir— 192線源に対する極微小プラスチックシンチレータ（BC490) による波高分布スペクトルを示す図である。

[図 4]水ファントム中 Ir 192線源による吸収線量分布の測定結果を示す図である。

[図 5]従来 (A)と実施形態 (B)の検出方法の比較を示す図である。

[図 6]他の実施形態の構成を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

[0013] 図 1は、実施形態に係る放射線線量計の一構成例を示す図である。この放射線線量計では、 X線 · γ線を用いた放射線治療における吸収線量を測定する。

[0014] シンチレータ 10は、例えばプラスチックシンチレータで構成され、 X線、ガンマ線などの電離放射線を光に変換する。この実施形態においては、多量の光量を必要としないため、シンチレータ 10は小型に形成することが可能であり、例えば lmm φ X 0. lmm程度にできる。従来例では、 Ιπιπι X 10mmのシンチレータを用いており、これに比べると大きさが 100分の 1程度であり、測定における位置分解能は 100倍に向上する。また、シンチレータ 10を複数設ければ、複数位置における電離放射線量を検出すること力 Sでさる。

[0015] ここで、本実施形態においては、シンチレータ 10として、有機シンチレータ、特にプラスチックシンチレータを採用しており、電離放射線によって物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなく電離放射線を光に変換する。

[0016] なお、プラスチックシンチレータでなくても、軽元素を主成分とするシンチレータであれば、プラスチックシンチレータと同様に電離放射線によって物質内部での光電効果による発光はほとんど生じない。特に、軽元素を主成分とするシンチレータでは、発光減衰時間が 10ナノ秒以下のものが知られており、これを利用することによって、イベントの分離を確実に行!/、、正確なイベントのカウントを行うことができる。

[0017] さらに、一般式（C H NH ) PbX (Xはハロゲン、 n = 3〜； 10)で表される、有機

n 2n+ l 3 2 4

無機層状ぺロブスカイト型化合物で形成されたシンチレータを利用することも可能である。この物質は、アルキルァミンからなる有機層をバリア層とし、ハロゲン化鉛からなる無機層を井戸層とする多重量子井戸構造を形成する。そして、この物質の井戸層に閉じ込められた励起子が放射線の照射によって発光する。また、中性子用のシンチレータとして中性子超高速シンチレータ材 Li O-B O ： Ce³⁺も知られている。こ

2 2 3

れらのシンチレータにおいても、プラスチックシンチレータと同様に、電離放射線によつて物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなく電離放射線を光に変換すること力 sでさる。

[0018] 通常、無機シンチレータで _Ί線の測定を行うと、光電効果による大きな吸収エネルギ一のピーク（（I)の領域）、コンプトン散乱による吸収（（II)の領域）が存在する（図 2 参照）。図 2は、 BGOシンチレーシヨン検出器による Cs— 137 γ線（661. 6keV)のエネルギースぺクトノレを示して!/、る。

[0019] 有機シンチレータでは、無機シンチレータのような光電吸収によるエネルギーのピークを持たず、コンプトン散乱によるスペクトルのみになる。 [0020] また、シンチレータ 10を 10mm φ X 10mm以下、好ましくは lmm φ X 2mm以下、より好ましくは lmm φ X lmmという極微小にすることにより、シンチレータ 10自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレータ 10から散逸する確率を上げることができる。その際、（I)の領域は直線的な分布ではなぐ形状および大きさに依存した分布となる。その形状が微小球形の場合、電子とシンチレータ 10との相互作用断面積に依存した分布となるため、一般的に指数関数的な分布となり、指数関数的に変化する（ III)の領域とあわせて、電離放射線のカウントによる吸収線量の計算が可能になる。

[0021] 特に、シンチレータのサイズを lmm³以下に設定することによって、上述のように、物質内部での光電効果による発光をほとんど生じることなぐまたシンチレータ自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレータ 10から散逸する確率を上げることができ、 (I)の領域を指数関数的な分布に変えることができる。

[0022] シンチレータ 10には、シンチレータ 10において電離放射線から変換された光を伝達する光ファイバ 12が接続されている。この光ファイバ 12は、途中にコネクタを設け、光ファイバ 12を適宜着脱可能に接続することも好適である。これによつて、シンチレータ 10を所望の箇所に設定することが容易となる。

[0023] 光ファイバ 12は、光電子増倍管 14に接続される。この光電気変換器である光電子増倍管 14は、光ファイバ 12から供給される光（光信号)をその強度に応じた電気信号に変換する。光電子増倍管 14には、信号増幅器 16が接続されており、光電子増倍管 14からの電気信号を増幅する。

[0024] 信号増幅器 16の出力は、ディスクリミネータ 18に入力される。このディスクリミネータ

18には、しきい値も入力されており、入力されてくる電気信号の中で、信号レベルがしきい値以上のものをイベントとして弁別する。ここで、ディスクリミネータ 18は、最終的に正しい吸収線量を検出するための電気信号を電気的なノイズから弁別することを目的としており、特定の電離放射線を入射した場合における高性能の電離箱による検出との比較などから決定するとよい。ディスクリミネータ 18は、コンパレータなどで構成すること力 Sでさる。

[0025] なお、本実施形態では、シンチレータ 10への吸収エネルギースペクトルが純粋な指数関数として表されると仮定しており、この仮定が成立すれば、しきい値はどのような値であっても誤差を生じない。し力もながら、現実には完全な指数関数ではないと思われ、しきい値を設けることによって、若干の誤差が発生すると考えられる。しきい値が高ければ高いほど、推測する範囲が大きくなり、結果として誤差が大きくなる可能性がある。一方、しきい値を小さくすれば、必要以上に多く計数することになるため、ノルスが多すぎて計測装置が飽和状態となる可能性がある。従って、しきい値は、これらを考慮して適切な値に設定することが好ましい。

[0026] ディスクリミネータ 18の出力は、カウンタ 20に入力され、ディスクリミネータ 18によつて弁別されたイベントがカウントされる。

[0027] そして、カウント 20によるカウント結果力コンピュータ 22に入力され、ここでイベントのカウント値が吸収線量に変換され、吸収線量がディスプレイ 24に表示される。なお、コンピュータ 22は、プログラムを実行することによって、下記のような処理を行うものであり、そのプログラムは、直接コンピュータ 22内のハードディスクなどの記憶媒体に記憶して実行される。プログラムはコンピュータ 22に直接書き込んでもよいし、 CDなどに記憶されたものをロードしたり、通信回線を通じてコンピュータ 22に供給してもよい。

[0028] ここで、コンピュータ 22におけるイベントのカウント値から吸収線量の変換について説明する。

[0029] シンチレータ 10に付与されたエネルギーが E〜E + dEの時のイベント数を C (E)

Sc とすると、シンチレータ 10の吸収線量（エネルギー）は、エネルギーが 0〜∞までのィベントのレベルに対しそのイベント数を乗算したものであり、

國

D_Sc = EC_Sc (E)dE ( 1 ) と表される。

[0030] 極微小なプラスチックシンチレータの Ir 192 γ線に対する発光イベントの波高スぺクトル (波高チャンネル毎のカウント値）は、図 3に示すように、ほぼ指数関数に近くなる。図においては、線源に対する距離を、 3〜7cmに lcm毎にずらして位置させた場合の結果を示してある。それぞれの結果において、発光イベントの信号レベル (Pul se height)が高いと、それにつれて発光イベントのカウント値が指数関数的に小さくなつている。なお、シンチレータ 10としては、プラスチックシンチレータ BC490 (サンゴバン CDJ社)を使用した。

[0031] 従って、イベント数 C (E)は、エネルギーレベルによって決定され、測定時間を A t

Sc

とすると、

[数 2]

C (E) = a Qxp(-bE) · At (2) と近似できる。ここで、 a, bは、図 3の関係から定まる定数である。

[0032] このため、（1)式は（2)式を用いて、

國

D_Sc = a^t I E exp(~bE)dE o) と表現できる。

[0033] 一方、エネルギー E以上の電子によるエネルギーの付与、すなわちシンチレータ 1

0

0の発光イベントの総数 C は、（2)式のエネルギー毎のイベント数 C (E)をェネル

total Sc

ギー E以上のものについて積分したものであり、

0

[数 4コ

C_total = C_Sc (E)dE = aAt

Γ Qxp(-bE)dE w と表される。

[0034] ここで、部分積分公式として、（5)式が知られている。

[数 5コ jf(x)g^,(x)dx = f(x)g(x)― jf (x)g(x)dx (5) この（5)式において、 f (x) =x, g (x) =exp (— bx)とすると、（5)式は、 x{Gxp(-bx)Y dx = x Qxp(-bx) - μχ} ' exip(-bx)dx

- b jx exp(-bx)dx = x exp(-bx) - Jexp(- ?x)i (6) と書き直すこと力でき、（6)式に（3)式および (4)式を適用すると、

[数 7]

- ab [E Qxp(-bE)dE = aEQxp(-bE) - a {exp(-bE)dE ~ bD_Sc = + aAt ζ° Gxp(~bE)dE

となる。

[0035] したがって、 v 'ータ 10の吸収線量 D_は、

[数 8]

と表される。

[0036] さらに、水吸収線量 D は、（1)式と（8)式から、

W

[数 9]

となる。

[0037] なお、（ / _P ) [m²'kg ¹]は、質量エネルギー転移係数であり、添え字 Scはシ en

ンチレータ 10のものを示し、添え字 Wは水のものを示す。すなわち、（9)式の右辺第 1項によって、シンチレータ 10による吸収線量を水吸収線量に換算している。

[0038] ここで、

と定義すると、

水吸収線量:

[数 11]

⁼ total となる。従って、補正係数 α , βを決定すれば、ノルスカウント総数 C および測定時間 A tから水吸収線量 D を求めることができる。

[0039] 次に、本実施形態の装置を用いて密封小線源治療用 Ir 192線源を用いた水ファントム中での線源からの距離と吸収線量率（Dose rate [cGy/min] )の関係（吸収線量率分布）の測定結果を図 4に示す。

[0040] なお、測定結果との比較には、輸送モンテカルロコード MCNP— 4Cを用いた。この図から分かるように、 2桁以上の線量変化に対して、精度良く一致した測定結果が得られている。また、このように測定レンジが広いことは、本実施形態の特徴の一つでもめる。

[0041] 図 5には、本実施形態の吸収線量測定と、従来の吸収線量の測定の比較を示してある。このように、従来技術では、吸収線量を積算して平均電流量として吸収線量を検出する力本実施形態においては、しきい値以上のイベントの回数から吸収線量を求めている。このような手法によって、シンチレータ 10およびその処理回路については、比較的に簡単でありながら、高精度の検出が可能になる。

[0042] また、特許文献 1でも述べられているように、本実施形態においても、チェレンコフ光による測定の影響が発生する。これについては、以下のような方法で、対策が可能である。 [0043] まず、シンチレータ 10として、緑色発光（約 490nm)のプラスチックシンチレータを用いる。チェレンコフ光の波長スペクトルは、その強度によって赤色領域（600η m)付近まで広がり、青色領域 (約 420nm)でも十分な強度を有している。この性質を利用し、例えば 455nmを境に分離する分光ミラーによって光を分け、 455nm以下の光と 455nm以上の光が同時に計測されればチェレンコフ光と判定し、 455nm以上の光のみが計測されればシグナルと判定する。そして、チェレンコフ光と判定された場合に、イベントから除外することで、容易にチェレンコフ光の影響を取り除くことができる。また、特許文献 1のように、差分をとる方式ではないため、 SN比（Signal to Noise Ratio)が高いという利点もある。なお、この例では、緑色発光のシンチレータを前提としたカ、青色発光のシンチレータでも同様の原理でチェレンコフ光が除去できる。

[0044] 図 6には、このための構成例を示してある。シンチレータ 10からの光は、光ファイバ

12を介し、分光ミラー 30に供給され、 455nm以下の光と、 455nmの光に分離される。 455nm以下の光は、光電子増倍管 14 1、信号増幅器 16— 1 ,ディスクリミネータ 18— 1によって、イベントが検出され、検出したイベントについてのシグナルが比較演算器 32に供給される。一方、 455nm以上の光は、光電子増倍管 14— 2、信号増幅器 16— 2,ディスクリミネータ 18— 2によって、イベントが検出され、検出したイベントについての信号が比較演算器 32に供給される。

[0045] ここで、比較演算器 32は、非同時計数回路（antト coincidence)で構成される。すなわち、ディスクリミネータ 18— 1、 18— 2の両方から同じタイミングでシグナルが来た場合には、カウントシグナルを出さず、必要な信号だけが来た場合のみカウントシダナルを出力する。例えば、青色の発光シグナル Bと緑色の発光シグナル Gがあったとし、必要なのは発光シグナル Gと仮定する。 Gシグナルだけが比較演算器 32に入り、 B シグナルが同時には入ってこなかった場合、比較演算器 32はカウントシグナルを出力する。また、 Bシグナルだけが比較演算器に入り、 Gシグナルが同時には入ってこなかった場合や、 Bシグナルと Gシグナルが同時に入力された場合には、比較演算器 32はカウントシグナルを出力しない。言い換えれば、比較演算器 32は、 Bシグナノレによって、ゲートが作られ、 Bシグナルがないときだけ Gシグナルを通過させる。このようにして、比較演算器 32は、ディスクリミネータ 18— 1、 18— 2の両方から、供給されるシグナルに基づ!/、て、チェレンコフ光のシグナルを削除してカウントシグナルを出力する。従って、比較演算器 32からのカウントシグナルをカウントするカウンタ 20にお!/、ては、チェレンコフ光の影響を排除してカウントを行うことができる。

[0046] なお、分光ミラー 30において、分離された 455nm以下の光と、 455nm以上の光のレベルは必ずしも同一ではないため、ディスクリミネータ 18— 1、 18— 2におけるしきい値を異なるものとして、適切な判定を行えるようにすることが好適である。

[0047] このように、本実施形態においては、シンチレータ 10における発光量を光電子増倍管 14にて電流値 (電圧値）に変換した後、ディスクリミネータ 18を用いてしきい発光量以上のイベントのみを弁別し、カウンタ 20で計数する。一般的に、光電子増倍管 1 4、ディスクリミネータ 18、カウンタ 20は安価であり、特許文献 1のように高価な微少電流測定装置などが不要である。

[0048] さらに、本実施形態においては、シンチレータ 10の大きさは問題とはならず、小さい方が好ましい。すなわち、シンチレータ 10を小さくすることで、測定値についての解像度を向上できる。例えば、特許文献 1では、 lmm X 10mmのシンチレータを用いているが、本実施形態では、直径約 lmmの半球状シンチレータという、従来のものに比べ約 30分の 1程度の極微小シンチレータを用いている。このため、測定による位置分解能も 20倍以上となる。従って、生体中での γ線などの検出、測定が可能であり、従来はぁレ、ま!/、な推定でし力、行えなかった放射線治療中の線量を正確に測定すること力 Sでさる。

[0049] さらに、上述のようにシンチレータ自身で発生したコンプトン散乱電子がシンチレ一タから散逸する確率を上げることにより、指数関数的な分布に変えることができ、正確な放射線量の検出が行える。

[0050] また、上述のように、機器構成を簡素化できるため、多数のシンチレータ 10を設け、多数位置の放射線吸収量を検出する多チャンネルの構成をとることも容易となる。

Claims

請求の範囲

[1] 入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータと、

このシンチレータからの出力である光を電流に変換する光電気変換器と、この光電気変換器からの出力について、その強度が所定のしきい値以上のィベント数をカウントするカウンタと、

このカウンタによるカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収線量を求める吸収線量算出部と、

を有する放射線線量計。

[2] 請求項 1に記載の放射線線量計にお!/ヽて、

前記シンチレータは、プラスチックシンチレータである放射線線量計。

[3] 請求項 1に記載の放射線線量計にお!/ヽて、

前記シンチレータは、軽元素を主成分とし、発光減衰時間が 10ナノ秒以下である放射線線量計。

[4] 請求項 1に記載の放射線線量計にお!/ヽて、

前記シンチレータは、体積が lmm³以下である放射線線量計。

[5] 請求項 1〜4のいずれ力、 1つに記載の放射線線量計において、

前記吸収線量算出部は、下記式に基づいて、シンチレータの吸収線量 D を算出

Sc する放射線線量計。

D = (C /b) - (a A t/b²) {exp (-bE ) - 1 }

Sc total 0

ここで、 a, bは定数、 C はイベントのカウント数、 A tはイベントカウント時間、 Eは

total 0 前記しきい値である。

[6] 請求項 1に記載の放射線線量計にお!/ヽて、

チェレンコフ光と、シンチレータによる発光を、複数の異なる波長における発光が同時にある力、、特定の 1つの波長における発光のみがあるかの違いを利用して弁別して、計数することによってシンチレータ以外の発光を除去する放射線線量計。

[7] コンピュータに、

入射してくる電離放射線によって発光するシンチレータからの出力である光を電流に変換した電気信号につ!/、て、その強度が所定のしきレ、値以上のイベント数をカウントしたカウント値を受け入れさせ、

受け入れたカウント値を、各イベントの発生頻度が、イベントの光強度が大きくなるに従って、指数関数的に減少するという関係に基づいて、吸収線量に変換して吸収泉量を求めさせ、

シンチレータの吸収線量を算出する放射線線量計算プログラム。

[8] 請求項 7に記載の放射線線量計算プログラムにお!/、て、

前記予め記憶されて!/、る関係は、下記式に基づ!/、て!/、る放射線線量計算プロダラム。

D =(C /b)-(aAt/b²){exp(-bE )-1}

Sc total 0

ここで、 a, bは定数、 C はイベントのカウント数、 Atは測定時間、 Eは前記しきい

total 0

値である。

[9] コンピュータに、

シンチレータの吸収線量を算出する放射線線量計算プログラムを記録した媒体。

[10] 請求項 9に記載の媒体において、

前記予め記憶されて!/、る関係は、下記式に基づ!/、て!/、る放射線線量計算プロダラムを記録した媒体。

D =(C /b)-(aAt/b²){exp(-bE )-1}

Sc total 0

total 0

値である。