JP2013017491A

JP2013017491A - 呼吸同期用信号生成装置、断層撮影装置、放射線シミュレーション装置、および放射線治療装置

Info

Publication number: JP2013017491A
Application number: JP2009257060A
Authority: JP
Inventors: Akio Muto; 昭男武藤; Keiichi Nakagawa; 恵一中川; Takashi Tamura; 敬田村; Yasuhiko Shirai; 康彦白井
Original assignee: HONDA HADRONIX CO Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: HONDA HADRONIX CO Ltd; University of Tokyo NUC
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2011058730A1

Abstract

【課題】患者に強制的に短い周期の小刻みな呼吸をさせ、精度良く呼吸による体動を検出できる、呼吸同期用信号生成装置を提供する。
【解決手段】呼吸同期用信号生成装置（１０）を、患者（Ｋ）の体幹部を固定する体幹部固定具（１１）と、患者の季肋下部を押して横隔膜を圧迫する横隔膜圧迫具（１２）と、患者（Ｋ）に接触して呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサ（１４）と、体動検出センサ（１４）からの出力を受けて呼吸に同期する呼吸同期用信号を生成するコントローラ（１６）とから構成する。体動検出センサ（１１）は、患者（Ｋ）に接する受圧容器（２１）と、薄膜センサ素子（３１）と、薄膜センサ素子（３１）を格納するセンサ格納容器（２９）とから構成し、受圧容器（２１）とセンサ格納容器（２９）を連結管（２５）によって連結し、空気を密封する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＴスキャン装置、ＰＥＴ装置、放射線治療シミュレーション装置、または放射線治療装置に対して呼吸による体動に同期する信号を出力する呼吸同期用信号生成装置に関するものであり、さらに呼吸に同期して断層撮影する断層撮影装置、呼吸に同期して放射線治療する放射線治療装置に関するものである。

人体を任意の部分で輪切りにした断層画像を撮影することができる医療機器として、いわゆる断層撮影装置が周知であり、Ｘ線を曝射して撮影するＣＴスキャン装置、患者に放射性トレーサを投与して放射性トレーサから放出されるガンマ線を検出して撮影するＰＥＴ装置等が知られている。また、断層撮影装置に所定の装置を付加した医療機器も周知であり、いわゆる放射線治療シミュレーション装置、放射線治療装置等が知られている。放射線治療シミュレーション装置は、患者の断層画像を撮影してそれを基に放射線治療のシミュレーションを実施できる装置であり、これにより治療計画を立案することができる。また、放射線治療装置は、放射線治療計画に基づいて操作者が装置を操作して、患部に放射線を照射する装置である。

ＣＴスキャン装置は、従来周知のように、中央部を貫通する所定の内径の開口部を備えたガントリと、患者が仰臥する寝台と、データを処理するコンピュータとから構成されている。ガントリの内部には、Ｘ線を曝射するＸ線源と、人体を透過したＸ線を検出する多数のセンサからなる検出器アレイとが、開口部を挟んで対向する位置に配置され、Ｘ線源と検出器アレイは、開口部を中心として円周方向に回転できるようになっている。そして、開口部には、寝台上に仰臥した患者が寝台と共に挿入されるようになっている。このようなＣＴスキャン装置で断層画像を得る場合、寝台を駆動して寝台上に仰臥した患者をガントリの開口部に挿入して、撮影対象の所定の部位がＸ線の曝射野に配置されるようにする。そして、Ｘ線源と検出器アレイを回転させながら、異なる方向からＸ線を曝射して、人体を透過したＸ線を検出器アレイで検出する。このようにして検出されたデータをコンピュータにおいて統合的に処理すると１枚の断層画像が得られる。

断層撮影装置においては、寝台を駆動して撮影対象の部位を少しずつ移動させて、複数枚の断層画像を撮影する。そうすると、撮影対象の部位を立体的に画像化することができる。ところで、断層画像を撮影するとき、患者は寝台の上で動かないように注意しているが、患者は、呼吸の動作や体のわずかな動き、すなわち体動によって動いてしまう。患者が体動によって動いてしまうと、撮影される複数枚の断層画像間にずれが生じてしまうので、立体的な断層画像は鮮明なものが得られない。そうすると、診断において腫瘍を見落としたり、腫瘍の位置を正確に特定することができない。また、放射線治療シミュレーション装置において適切に治療計画を立案することもできないし、放射線治療装置においては、腫瘍以外の健全な組織に誤って放射線を照射して、これを損傷してしまうことがある。

患者の上半身を実質的に固定できる、いわゆるバキュームピローや、患者の腹部を圧迫して横隔膜による腹式呼吸を規制して体動の小さい胸式呼吸をさせる横隔膜圧迫具が周知であり、断層撮影したり放射線治療を行う際にこれらを使用すればある程度体動を抑制することができる。バキュームピローは、可撓性と気密性を備えた樹脂材料からなる所定の袋に、細粒状の発泡スチロールからなる充填材が所定量入れられた、布団状を呈する身体固定具であり、底板と一対の側板とから断面形状がＵ字状を呈するように形成されたボディフレーム内に設けられている。バキュームピローの上に患者を仰臥させ、袋内の空気を吸引すると、バキュームピローが患者の背面部や側部の形状に合わせて密着して固化し、胸部が開口した状態で体幹部すなわち上半身を実質的に固定することができる。横隔膜圧迫具は、仰臥した患者の腹部をまたぐように腹部の上方に架設されているブリッジ状の支持台と、支持台に支持され上下方向に駆動できる駆動軸と、駆動軸の先端に設けられている圧迫板とから構成されている。従って、患者の腹部の所定の部分、具体的には季肋下部を横隔膜圧迫具の圧迫板で圧迫すると、横隔膜が圧迫されて横隔膜呼吸、すなわち腹式呼吸ができなくなり、患者は体動が比較的小さい胸式呼吸をすることになる。横隔膜の動作が抑制されると内臓の動きがある程度抑制される。従って、このようにバキュームピローと横隔膜圧迫具とを併用すると、断層撮影や放射線治療において体動の影響を比較的受けにくくなる。しかしながら、ある程度体動を抑制することはできるが、胸式呼吸による体動は抑制することができないので、断層撮影や放射線治療において誤差が生じてしまう。

呼吸の動作や心臓の鼓動に同期して断層撮影装置を制御して、体動による影響を除去して鮮明な断層画像を得る断層撮影方法も周知である。このような方法を実施できる断層撮影装置は、外部から断層撮影装置を制御する信号を受信できるようになっており、人体の体動を検出して同期信号を生成する体動同期用信号生成装置が接続されていると、体動に同期して断層撮影することができる。特許文献１には、患者の胸部に貼り付けられた心電図検出用のセンサによって心臓の鼓動の同期信号を生成する体動同期用信号生成装置が記載されている。特許文献１に記載の体動同期用信号生成装置は、心臓の断層画像を撮影するＣＴスキャン装置に接続されているので、ＣＴスキャン装置は心臓の鼓動に同期して制御される。従って、ＣＴスキャン装置は心臓の鼓動の影響を受けずに断層画像を撮影でき、心臓について鮮明な断層画像が得られる。しかしながら、特許文献１に記載の体動同期用信号生成装置において、呼吸の動作は考慮されていない。従って、心臓以外の部分を断層撮影すると呼吸の体動によって断層画像がぼやけてしまう。

特開２００１−６１８３５号公報特開２００１−１８７０３０号公報

呼吸の動作を検出する呼吸同期用信号生成装置も知られており、断層撮影装置に接続することができる。このような呼吸同期用信号生成装置において、呼吸を検出する方法には、例えば胸部の上下動を検出する方法、腹部の膨張と収縮を検出する方法、皮膚の張力を検出する方法等が知られている。胸部の上下動を検出する方法には、マーカによる方法、計測竿による方法があり、マーカによる方法は、患者の胸部に貼られたマーカを外部のＣＣＤカメラで監視して胸部の上下動を検出する方法であり、計測竿による方法は、計測竿の一方の端部を患者の胸部に接触させ、患者の近傍に計測竿の支点を設けて、他方の端部において胸部の上下動を増幅して検出する方法である。また、腹部の膨張と収縮を検出する方法は、腹部に巻かれたベルトの張力または中空のベルト内の空気圧の変化を検出して腹部の膨張と収縮を検出するする方法であり、皮膚の張力を検出する方法は、患者の体表に歪センサを貼り付け、皮膚の張力を検出して、呼吸の動作を検出する方法である。

特許文献２には、患者が仰臥するベッドに設けられ、患者の背中に接触して呼吸の動作による体動を検出することができる、シート状の圧電センサが記載されている。特許文献２に記載の圧電センサは、ＰＶＤＦフィルムまたは窒化アルミニウムの薄膜からなる圧力検出素子が、薄い樹脂製シートによって挟み込まれた、いわゆるラミネート加工された構造のセンサであり、呼吸の動作による体動を電圧の変化として検出することができる。

前記したような呼吸の動作を検出する方法を実施したり、特許文献２に記載の圧電センサを使用すれば、呼吸の動作による体動を検出することができる。従って、呼吸による体動を検出して、断層撮影装置に同期信号を送信すれば、呼吸の動作に同期して断層撮影することができる。そうすると、呼吸の動作による体動の影響を受けない鮮明な断層画像を得ることができる。しかしながら、解決すべき問題点も見受けられる。まず、前記したような呼吸の動作を検出する方法は、体動が大きく比較的検出が容易な腹式呼吸を検出対象としており、腹式呼吸は周期が長い。断層撮影においては複数の方向と位置から繰り返し撮影をする必要があり、このように周期の長い腹式呼吸の呼吸動作に同期させて断層撮影装置を駆動すると、断層撮影に相当の時間がかかってしまう。そうすると、患者は疲労してしまうし、断層撮影装置の稼働率は低下してコスト高になってしまう。このような問題があるので、呼吸に同期して断層撮影することは、ほとんど実施されていない。

ここでは具体的な手段および方法を示さないが、仮に患者に周期の短い小刻みな呼吸をさせることができれば、周期が長いという問題は解決する。すなわち、患者に小刻みな呼吸をさせてこれを検出して、呼吸に同期して撮影すれば比較的短時間で断層撮影することができるので、患者の疲労や稼働率の低下によるコスト高の問題は解消する。この場合、小刻みな呼吸をさせる手段と、このような小刻みな呼吸を検出できる手段が必要になる。後者について検討すると、前記したような呼吸の動作の検出方法では、小刻みな呼吸を正確に検出することができない。つまり、マーカによる方法や計測竿による方法では、胸部の上下動を検出して呼吸を検出するが、小刻みな呼吸は胸部の変位が小さいので精度良く呼吸を検出できないし、腹部の膨張と収縮を検出するする方法においては、腹部においても変位が小さいので呼吸を精度良く検出することができない。また、皮膚の張力を検出する方法においては、患者の皮膚に弛みがある場合には検出の精度が悪くなるので精度の高い検出が期待できない。

特許文献２に記載の圧電センサを利用する場合には、変位の小さな小刻みな呼吸であっても、ある程度検出は可能であると考えられる。特許文献２に記載の圧電センサは感度が高く、小刻みな呼吸によるわずかな体動でも検出できると考えられるからである。しかしながら、他の問題点が見受けられる。例えば、特許文献２に記載の圧電センサは仰臥する患者の背中に接触するようにして使用されるので、断層撮影の際に陰となって画像に映ってしまう可能性がある。ＰＶＤＦフィルムまたは窒化アルミニウムの薄膜からなる圧力検出素子に固有の問題もあり、このような圧力検出素子は耐久性が高くない。たとえ、これらの圧力検出素子が保護用の薄い樹脂製シートによって挟み込まれていても、患者の背中によって繰り返し押されると、圧力検出素子が早期に劣化してしまう。圧力検出素子を挟み込む樹脂製シートを厚くすればある程度耐久性は向上するが、センサの感度が低下するという別の問題が生じてしまう。また、このような圧力検出素子には検出された電圧を外部に送信する信号線が設けられているが、圧力検出素子が薄膜状に形成されているので、圧力検出素子と信号線の接合部の強度は弱く問題である。特許文献２に記載の圧電センサの場合、直接患者の背中に圧力検出素子が敷かれて圧力の変動を検出するようになっているので、早期に接合部が破損して信号線が断線してしまう危険が高い。また、窒化アルミニウムは一般的に小面積のものしか製造することができないので、圧力の変化を検出できる背中の部分が小面積になってしまい、接触させる部分によっては呼吸の動作を確実に検出できない。さらには、患者の背中から受ける圧力は、圧電センサに均一に作用するとは限らないので、圧力検出素子で受ける圧力にはムラが生じてしまい、センサの検出精度が十分に得られない場合がある。すなわち、患者の背中と圧電センサが接触している位置、面積等の状態によっては、患者の体動に伴う圧力の変動を正確に検出できない場合がある。従って、特許文献２に記載の圧電センサを小刻みな呼吸の検出に使用するのは問題がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたもので、具体的には、患者に強制的に短い周期の小刻みな呼吸をさせると共に、耐久性の高い体動検出センサによって小刻みな呼吸を精度良く検出して、呼吸に同期する呼吸同期用信号を生成して、断層撮影装置、放射線治療装置等に送信することができる呼吸同期用信号生成装置、および呼吸同期用信号生成装置を備えた断層撮影装置、放射線治療シミュレータ装置、放射線治療装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、呼吸同期用信号生成装置を、患者の体幹部を固定する体幹部固定具と、患者の季肋下部を押して横隔膜を圧迫する横隔膜圧迫具と、患者に接触して呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサと、体動検出センサからの出力を受けて呼吸に同期する呼吸同期用信号を生成するコントローラとから構成する。そして、体動検出センサを、可撓性を有し全体が扁平なシート状を呈する中空の受圧容器と、所定の管路を介して受圧容器と連通している中空のセンサ格納容器と、センサ格納容器に格納されているＰＶＤＦ、窒化アルミニウム、または酸化亜鉛からなる薄膜センサ素子と、これらの容器に気密的または液密的に封入されている空気、シリコンオイル等の流体とから構成する。また、体幹部固定具を、所定の形状のボディフレームと、ボディフレーム内に設けられているバキュームピローと、バキュームピローに所定の管路を介して接続されている吸引ポンプとから構成する。バキュームピローは、可撓性と気密性を有する所定の袋と該袋に入れられた所定量の細粒状の発泡スチロール充填材とから形成されているので、患者をこの上に仰臥させて袋内の空気を吸引すると、患者の背面部と側部に密着して固化することができる。

かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、入力される同期信号に同期して制御されるＣＴスキャン装置、ＰＥＴ装置、放射線治療シミュレーション装置、または放射線治療装置に、患者の呼吸に同期する同期信号を送信する呼吸同期用信号生成装置であって、前記呼吸同期用信号生成装置は、患者が仰臥する寝台上に設けられ該患者の体幹部を固定する体幹部固定具と、前記患者の腹部近傍に設けられている横隔膜圧迫具と、前記患者に接触して呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサと、前記体動検出センサからの出力を受けて呼吸に同期する呼吸同期用信号を生成するコントローラとから構成され、前記横隔膜圧迫具は、前記患者の腹部の上方に架設されている支持台と、前記支持台に上下方向に駆動可能に支持されている駆動軸と、該駆動軸の先端に設けられている圧迫板とから構成され、前記駆動軸を下方に駆動すると前記圧迫板が前記患者の季肋下部を押して横隔膜を圧迫するようになっており、前記体動検出センサは、可撓性を有し全体が扁平なシート状を呈する中空の受圧容器と、所定の管路を介して前記受圧容器と連通している中空のセンサ格納容器と、前記センサ格納容器に格納されているＰＶＤＦ、窒化アルミニウム、または酸化亜鉛からなる薄膜センサ素子と、前記受圧容器と前記センサ格納容器に気密的または液密的に封入されている流体とから構成され、前記受圧容器に作用する圧力が、前記流体を介して前記薄膜センサ素子に作用して検出されるようになっており、前記受圧容器は、前記患者と前記圧迫板の間、または前記患者と前記体幹部固定具の間に挟まれるように構成される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記体幹部固定具は、底板と所定形状の一対の側板とからなる所定の形状のボディフレームと、前記ボディフレーム内に設けられ、可撓性と気密性を有する所定の袋と該袋に入れられた所定量の細粒状の発泡スチロール充填材とからなるバキュームピローと、前記袋に所定の管路を介して接続されている吸引ポンプとから構成され、前記バキュームピロー上に患者を仰臥させて前記吸引ポンプによって空気を吸引すると、前記バキュームピローが前記患者の背面部と側部に密着して固化するように構成される。
そして、請求項３に記載の発明は、請求項１、または請求項２に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記受圧容器と前記センサ格納容器は、同一の容器から形成されるように構成される。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記流体は、シリコンオイルまたは鉱物油からなる液体、あるいは空気または不活性ガスからなる気体であるように構成される。
さらには、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記コントローラには、モニタが接続される画像出力端子が設けられ、呼吸波形や呼吸同期用信号をグラフ化して出力できるように構成される。そして、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた断層撮影装置として構成され、請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた放射線治療シミュレーション装置として構成され、請求項８に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた放射線治療装置として構成される。

以上のように、本発明によると、呼吸同期用信号生成装置は、患者の体幹部を固定する体幹部固定具と、患者の季肋下部を押して横隔膜を圧迫する横隔膜圧迫具を備えているので、患者の体幹部を実質的に固定することができ、患者に強制的に胸郭による呼吸、すなわち胸式呼吸をさせることができる。胸式呼吸は周期が短いので、呼吸に同期して断層撮影装置、放射線治療装置等を制御するようにしても、短時間で断層撮影や治療が完了することになる。そうすると患者の疲労は最小限に抑制することができ、断層撮影装置、放射線治療装置等の稼働率が高くなりコストを低下させることができる。また、呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサは、可撓性を有し全体が扁平なシート状を呈する中空の受圧容器と、所定の管路を介して受圧容器と連通している中空のセンサ格納容器と、センサ格納容器に格納されているＰＶＤＦ、窒化アルミニウム、または酸化亜鉛からなる薄膜センサ素子と、受圧容器とセンサ格納容器に気密的または液密的に封入されている流体とから構成され、受圧容器に作用する圧力が、流体を介して薄膜センサ素子に作用して検出されるようになっているので、流体を介して確実に、かつ精度良く圧力を検出することができる。そして、薄膜センサ素子には、直接力が作用せずに流体を介して圧力が作用するので、薄膜センサ素子が早期に劣化してしまうことがないし、薄膜センサ素子に接続されている信号線にも直接負荷がかからないので、信号線が断線することがなく、高い耐久性が得られる。また、体動検出センサの受圧容器は、患者と横隔膜圧迫具の圧迫板の間、または患者と体幹部固定具の間に挟まれるように設けられるようになっているので、センサが断層撮影装置にぶつかるようなことも、放射線治療において妨げになることもない。そして、患者に直接触れているのは受圧容器だけになるので、断層撮影時にセンサが写ることはない。従って、鮮明な断層画像を得ることができる。また、薄膜センサ素子は、圧力を直接受ける受圧容器とは別の容器であるセンサ格納容器内に格納されているので、薄膜センサ素子が折れ曲がったり劣化することがない。さらには、薄膜センサ素子に接続されている信号線が薄膜センサ素子から外れる恐れもない。すなわち、非常に耐久性が高い。

他の発明によると、体幹部固定具は、所定の形状のボディフレームと、ボディフレーム内に設けられているバキュームピローと、バキュームピローに所定の管路を介して接続されている吸引ポンプとから構成されており、バキュームピローは、可撓性と気密性を有する所定の袋と該袋に入れられた所定量の細粒状の発泡スチロール充填材とから形成されているので、患者をこの上に仰臥させて袋内の空気を吸引すると、容易に患者の背面部と側部に密着して固化することができる。すなわち、患者の体幹部を容易に固定することができる。さらには、受圧容器とセンサ格納容器が同一の容器から形成されている他の発明によると、体動検出センサをさらに安価に得ることが可能になる。また、体動検出センサの容器に封入されている流体を、シリコンオイルまたは鉱物油からなる液体にすると、流体は圧縮性が小さいので応答性が高くなるし、空気または不活性ガスからなる気体にすると液漏れの恐れが無くなるという効果が得られる。また、他の発明によるとコントローラにはビデオ出力端子が設けられ、呼吸波形や呼吸同期用信号をグラフ化して出力できるようになっているので、オペレータ室にモニタを設置すれば、断層撮影装置、放射線治療装置等の装置を操作するオペレータが患者の呼吸を確認することができる。

本発明の実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置を備えたＣＴスキャン装置を模式的に示す図で、その（ア）は本発明の実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置備えたＣＴスキャン装置の斜視図、その（イ）は（ア）のＸ−Ｘにおいて切断した断面図である。本発明の実施の形態に係る体動検出センサを模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る体動検出センサの、薄膜センサ素子とフラットケーブルの接続部分を模式的に説明する図で、その（ア）は接続用のチップであるフレキシブルＩＣチップを模式的に示す斜視図であり、その（イ）はフレキシブルＩＣチップによって薄膜センサ素子とフラットケーブルが接続されている様子を示す断面図である。体動検出センサによって検出される呼吸の体動による圧力変動を示すグラフであり、上段は腹式呼吸をしているときの、下段は本実施の形態に係る横隔膜圧迫具によって強制的に胸式呼吸をさせているときの、それぞれの圧力変動を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置のコントローラのビデオ出力端子に接続されたモニタに表示される画面である。本発明の他の実施の形態に係る体動検出センサを模式的に示す斜視図である。

本実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置は、ＣＴスキャン装置、ＰＥＴ装置等の断層撮影装置、放射線治療シミュレータ装置、または放射線治療装置に接続されるようになっている。以下、本実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置を備えたＣＴスキャン装置を例に説明する。

ＣＴスキャン装置１は、図１の（ア）に示されているように、従来周知のＣＴスキャン装置と同様に、人体を走査するガントリ２、患者が仰臥する寝台３等から概略構成されている。ガントリ２には、その中央部に、人体が挿入される所定の内径の貫通孔が明けられている。すなわち開口部５が設けられている。ガントリ２の内部には、図１には示されていないが、Ｘ線を曝射するＸ線源と、人体を透過したＸ線を検出する多数のセンサからなる検出器アレイとが、開口部５を挟んで対向する位置に設けられている。このようなＸ線源と検出器アレイは、お互いに開口部５を挟んで対向する位置を採りながら、開口部５を中心に円周方向に回転できるようになっている。ガントリ２には、ガントリ２と寝台３を制御したりデータを処理するコンピュータが設けられている。

寝台３は、床に設置される台座７と、台座７の上に設けられている略長方形の板状を呈するテーブル８とから構成されている。そしてテーブル８は、図１の（ア）には示されていないが、台座７の内部に設けられているテーブル駆動機構によって長手方向にスライドすることができるようになっている。このような寝台３は、ガントリ２に隣接して設置されており、テーブル駆動機構を駆動すると、テーブル８が開口部５に挿入されたり、後退するようになっている。

ガントリ２の開口部５の近傍には、レーザ位置決め装置９、９が設けられ、患者Ｋにレーザ光を照射してマーキングし、ガントリ２内のＸ線源が回転する回転中心、すなわちアイソセンタの位置が明らかになるようになっている。これによって、患者Ｋの断層撮影したい特定の部位をアイソセンタ近傍に位置させることができ、所望の断層撮影ができることになる。

本実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置１０は、テーブル８の上に固定されている体幹部固定具１１と、体幹部固定具１１に固定されている横隔膜圧迫具１２と、患者Ｋの呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサ１４と、体動検出センサ１４において検出された信号を受信するコントローラ１６とから構成されている。体幹部固定具１１は、テーブル８上に固定的に載置されている所定の形状のボディフレーム１７と、ボディフレーム１７内に設けられているバキュームピロー１８と、バキュームピロー１８にチューブ１９を介して接続されている吸引ポンプ２１とから構成されている。ボディフレーム１７は、患者Ｋの背面を支持する底板１７ａと、この底板１７ａの両端面に接続されており患者Ｋの両側部を押さえる一対の所定の形状の側板１７ｂ、１７ｂとから、断面形状がＵ字状を呈するように形成されている。バキュームピロー１８は、このボディフレーム１７の内側に入れられており、可撓性と気密性を有する所定の袋と、該袋に入れられた所定量の細粒状の発泡スチロール充填材とから構成され、袋内に十分な空気が入っていると発泡スチロール充填材は袋内で流動することができる。このバキュームピロー１８の上に患者Ｋを仰臥させると、患者Ｋの背面部と側部に密着するようにバキュームピロー１８が変形することになり、吸引ポンプ２１によって袋内の空気を吸引すると、バキュームピロー１８が変形した状態で固化する。すまわち、患者Ｋの体幹部は実質的に固定される。

横隔膜圧迫具１２は、ボディフレーム１７の一対の側板１７ｂ、ｂの上端部に架設されているブリッジ状を呈する支持台２３と、支持台２３に上下方向に駆動可能に支持されている駆動軸２４と、駆動軸２４の先端に設けられている圧迫板２５とから構成されている。より詳しく説明すると、支持台２３の中央の頂部には貫通孔が明けられており貫通孔には雌ネジが形成されている。そして駆動軸２４には雄ネジが形成されて貫通孔の雌ネジに螺合しており、駆動軸２４の後端部には、駆動軸２４を回転するハンドル２６が固定されている。従って、ハンドル２６を回転すると駆動軸２４が上下方向に駆動され圧迫板２５が上下することになる。このような横隔膜圧迫具１２の支持台２３は、ボディフレーム１７に対して前後方向にスライドさせることができ、任意の位置で固定することができる。従って、仰臥した患者Ｋの季肋下部の上方の位置に圧迫板２５が位置するように支持台２３のスライド位置を微調整することができる。

本実施の形態に係る体動検出センサ１４は、図２に示されているように、シート状を呈し患者Ｋに直接接する中空の容器、すなわち受圧容器２８、センサ素子が入れられるようになっている所定大きさの中空の容器、すなわちセンサ格納容器２９、センサ格納容器２９に格納されている薄膜センサ素子３１等から概略構成されている。受圧容器２８は、患者Ｋの体動により変動する圧力を受ける受圧部になっているので、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン等の可撓性材料から形成されているが、センサ格納容器２９は、薄膜センサ素子３１を保護する容器であるので、特に可撓性を有する必要はない。従って、本実施の形態においてはアクリル樹脂から形成されている。受圧容器２８とセンサ格納容器２９は可撓性材料からなる連結管３２によって、気密的または液密的に連結され、それぞれの中空部が連通している。薄膜センサ素子３１は、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｉｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｔｅ）、窒化アルミニウム、または酸化亜鉛からなる所定の大きさの薄膜状の圧電素子であり、本実施の形態においては窒化アルミニウムからなる。薄膜センサ素子３１には、以下に説明するように所定の接続用チップを介してフラットケーブル３３が接続され、フラットケーブル３３には、送信機３５が接続されている。従って、圧力は薄膜センサ素子３１によって電圧の変化として検出され、送信機３５から送信されることになる。このような体動検出センサ１４、すなわち受圧容器２８とセンサ格納容器２９と連結管３２には、空気からなる気体流体３７が密封されている。従って、受圧容器２８において受圧された圧力は気体流体３７を介して薄膜センサ素子３１に作用することになる。

窒化アルミニウムの圧電素子からなる薄膜センサ素子３１と、フラットケーブル３３の接続について詳しく説明する。薄膜センサ素子３１とフラットケーブル３３は、所定の接続用チップ、すなわちフレキシブルＩＣチップ３８によって接続される。フレキシブルＩＣチップ３８は、図３の（ア）に示されているように、切り込み３９が入れられた平板状のチップであり、銅の薄膜からなる第１、２の導線４１、４２が、切り込み３９で分けられたチップの第１の小片４３と第２の小片４４とに、平行になるように設けられている。なお、第１の導線４１はチップの表面に、第２の導線４２はチップの裏面に設けられている。このようなフレキシブルＩＣチップ３８によって、薄膜センサ素子３１をフラットケーブル３３に接続する方法について説明する。フレキシブルＩＣチップ３８を、第１の小片４３を下方に、第２の小片４４を上方に湾曲させて、切り込み３９に薄膜センサ素子３１を挿入する。そうすると、図３の（イ）に示されているように、薄膜センサ素子３１をフレキシブルＩＣチップ３８の第１、２の小片４３、４４で挟み込むことができる。薄膜センサ素子３１は、ポリイミド系樹脂からなる基板４６とその上に蒸着された窒化アルミニウム結晶層４７が、アルミニウム等からなる第１、２の金属膜４８、４９によって上面と下面が被覆された構造を呈している。このような薄膜センサ素子３１の第１、２の金属膜４８、４９に異方性導電接着剤５０、５０を塗布して、フレキシブルＩＣチップ３８の第１、２の小片４３、４４を押圧して接着する。そうすると、第１の金属膜４８と第１の導線４１、第２の金属膜４９と第２の導線４２のそれぞれが導通する。フレキシブルＩＣチップ３８の端部に所定のコネクタ５２を接続し、コネクタ５２を介してフラットケーブル３３を接続する。薄膜センサ素子３１とフラットケーブル３３が接続される。このようにしてフラットケーブル３３に接続された薄膜センサ素子３１が、既に説明したようにセンサ格納容器２９に入れられている。

本実施の形態に係る体動検出センサ１１は、図１の（ア）に示されているように、そのセンサ格納容器２９と送信機３５がテーブル８の側方の所定の端部に固定されている。つまり、患者Ｋから離れた位置に固定されている。従って、これらが断層撮影の邪魔になることはないし、患者Ｋと直接接触しないので破損したり故障することがない。一方、体動検出センサ１１の受圧容器２８は、連結管３２が許容する範囲で任意の場所に配置することができるようになっている。従って、作用の説明のところで説明するように、受圧容器２８を患者Ｋの腹部と横隔膜圧迫具１２の圧迫板２５の間で挟まれるように配置することができる。また、受圧容器２８をバキュームピロー１８と患者Ｋの背面部の間で挟まれるように配置しても良い。受圧容器２８は、患者の上半身の任意の位置を選択して配置することができるので、断層撮影時に妨げになることなく患者の呼吸による体動の圧力変化を検出することができる。なお、本実施の形態に係る体動検出センサ１１は、気体流体３７によって効率よく圧力変動を薄膜センサ素子３１に作用させることができるので、連結管３２を比較的長くしてもセンサの感度は低下しない。従って、連結管３２を例えば３ｍ程度にすることもでき、そうすると本実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置を変形して、センサ格納容器２９を寝台３から離れた場所に設置することもできる。この場合には、体動検出センサ１１とコントローラ１６を有線の信号ケーブルで直接接続することもできる。

コントローラ１６には、体動検出センサ１４に接続されている送信機３５から送信される信号を受信する受信機が備えられている。送信機３５と受信機における通信は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信、あるいは近赤外線通信によって実施されるので、電磁波が漏洩することがなく、ＣＴスキャン装置１や周辺に設置されている医療機器は誤作動することがない。受信された圧力の変化から、コントローラ１６の処理によって呼吸に同期したパルス状の呼吸同期用信号が生成される。コントローラ１６は、所定の信号ケーブル５４を介して、ガントリ２の同期信号入力端子５５に接続されているので、生成された呼吸同期用信号はガントリ２に入力されることになる。なお、コントローラ１６は、オープンコレクタ端子、ＴＴＬレベルラインドライバ出力端子、ＳＴＡＲＴ／ＳＴＯＰ出力端子、ＲＳ４２２接続端子を備えているので、信号ケーブル５４には、ガントリ２の同期信号入力端子５５に対応する任意のタイプのケーブルを選定することができる。コントローラ１６には、外部のモニタ装置に必要な情報を出力することができるビデオ出力端子も設けられており、図１には示されていないが、ＣＴスキャン装置１を操作するオペレータ室内に設けられている所定のモニタに接続されている。また、コントローラ１６には、マイクも内蔵されている。一般的に、ＣＴスキャン装置１はＸ線の曝射時に注意を促す所定の警告音を発するが、この警告音を検出して曝射情報としてコントローラ１６に取り込むことができる。

本実施の形態に係る呼吸同期用信号生成装置１０を備えたＣＴスキャン装置１の作用を説明する。図１の（ア）に示されているように、患者Ｋをテーブル８上の体幹部固定具１１の上に仰臥させる。横隔膜圧迫具１２の支持台２３のスライド位置を調整して、圧迫板２５が患者Ｋの季肋下部の上方に配置されるようにして、支持台２３を固定する。吸引ポンプ２１を駆動してバキュームピロー１８内の空気を吸引する。そうすると、バキュームピロー１８は患者Ｋの背面部と側部に密着して固化する。これによって患者Ｋは実質的に上半身、すなわち体幹部が固定されるが、胸部は開放されているので呼吸は可能な状態が維持される。体動検出センサ１４の受圧容器２８を、患者Ｋと圧迫板２５の間に配置して、横隔膜圧迫具１２のハンドル２６を回転する。そうすると図１の（イ）に示されているように、駆動軸２４が下方に駆動され圧迫板２５が下方に駆動される。圧迫板２５と患者Ｋの間に受圧容器２８が挟まれ、受圧容器２８によって患者Ｋの体動による圧力の変化を検出できるようになる。そして、圧迫板２５によって患者Ｋの季肋下部が所定の力で圧迫される。そうすると、患者Ｋの横隔膜は圧迫されて横隔膜による腹式呼吸が抑制され、患者Ｋは胸郭のみで呼吸する胸式呼吸をするようになる。図４の上段には腹式呼吸による呼吸動作の、下段には胸式呼吸による呼吸動作の、それぞれの体動による圧力変動のグラフが示されているが、腹式呼吸が周期が長く呼吸が深いのに対して、胸式呼吸は周期が短く呼吸が浅くなっていることが分かる。受圧容器２８においてこのように変化する圧力を受け、気体流体３７を介して薄膜センサ素子３１において圧力を検出し、電圧に変換する。受圧容器２８の面積は十分に広いので、変化する圧力を効率よく受けることができる。そして、気体流体３７によって薄膜センサ素子３１の全表面に均一に圧力が作用するので、圧力の変化を精度良く検出することができる。検出された電圧の変化を送信機３５によってコントローラ１６に送信する。コントローラ１６では、入力された電圧の波形を処理して呼吸に同期するパルス信号、すなわち呼吸同期用信号を生成する。生成した呼吸同期用信号をガントリ２に入力する。ところで、電圧の波形には、呼吸の動作と心臓の鼓動による異なる周波数成分が含まれ、さらにはノイズも含まれている。従って、フーリエ変換、ウェーブレット変換等の周知の分析方法を適用して呼吸の動作に対応する周波数成分を抽出する。そうすると、呼吸のタイミングを得ることができる。なお、入力される電力の波形には、短時間に変化する周波数成分が多く含まれているので、ウェーブレット変換による分析方法が特に有効である。分析方法として、例えば、日本機械学会［Ｎｏ．０１−５］福祉工学シンポジウムＣＤ−ＲＯＭ論文集［２００１．８．７，東京］の論文「Ｗ３０１ＰＶＤＦセンサを用いた睡眠時呼吸・心拍の無拘束侵襲計測に関する研究（第２報：ウェーブレット変換を用いた呼吸心拍の検出）」に記載されている方法を適用することができる。

テーブル８を駆動して患者Ｋを開口部５に挿入し、断層画像を撮影したい部位が開口部５の中心に位置するようにする。ガントリ２に入力される呼吸同期用信号に同期して、Ｘ線を曝射して断層画像を撮影する。このとき、体動検出センサ１４の受圧容器２８はＸ線を吸収しないので、断層画像に容器が映ることはない。引き続き、テーブル８を駆動して患者Ｋをわずかに挿入して、呼吸同期用信号に同期して断層画像を撮影する。以下同様にして複数枚の断層画像を撮影する。本実施の形態においては、周期の短い胸式呼吸に同期して断層画像を撮影するので、比較的短時間で断層撮影を完了することができる。

オペレータ室に設けられているモニタには、コントローラ１６から出力された画面が表示され、例えば図５に示されているように表示される。画面には、患者Ｋに付与されている患者ＩＤ、患者の氏名等の基本情報が表示され、患者Ｋの呼吸波形の表示と共に、その呼吸波形に同期した呼吸同期用信号がパルス状に表示される。また、ＣＴスキャン装置１が曝射した情報、すなわち曝射情報と心拍信号も表示される。オペレータは、モニタの表示を見ながら呼吸の状態を監視して、オペレータ室に備え付けられている音声回線によって患者Ｋに指示を出すことができる。そうすると、患者Ｋは適切な呼吸動作をすることができ、適切に断層画像を撮影できる。なお、コントローラ１６内には、所定のメモリも設けられており、モニタに表示される情報は保存されている。従って、過去のデータも必要に応じて表示することができる。

図５には、第２の実施の形態に係る体動検出センサ１４'が示されている。前記実施の形態に係る体動検出センサ１４の構成要素と同様の要素には、同じ参照番号を付して詳しくは説明しない。第２の実施の形態に係る体動検出センサ１４'は、受圧容器とセンサ格納容器が同一の容器である受圧容器２８’から形成されている。従って、薄膜センサ素子３１が、受圧容器２８’の一部に格納されている。このようにすると、体動検出センサ１４'をより安価に製造することが可能になる。なお、受圧容器２８’の薄膜センサ素子３１が格納されている部分について、所定の補強部材を設ければ、薄膜センサ素子３１を適切に保護することができる。

本実施の形態に係る断層画像装置は、色々な変形が可能である。例えば、呼吸同期用信号生成装置は、ＣＴスキャン装置の代わりにＰＥＴ装置、放射線治療シミュレータ装置、放射線治療装置に接続されていてもよく、これらの装置を呼吸同期用信号に同期させて制御することができる。また、体動検出センサ１４とコントローラ１６は、送受信機によって無線通信されているように説明されているが、既に説明されているように、有線の信号ケーブルによって直接接続されていてもよい。また、体動検出センサ１４の受圧容器とセンサ格納容器には空気からなる気体流体が封入されているように説明されているが、不活性ガスでも他の気体でも同様に実施できる。さらには、気体流体の代わりに、シリコンオイル、鉱物油等の液体流体であっても同様に実施することができる。液体流体の場合は、薄膜センサ素子３１が完全にセンサ格納容器２９内で流体内で浮くことになるので、薄膜センサ素子３１がノイズを拾いにくく精度良く圧力変動を検出することが可能になるし、圧縮性が小さいので応答性が良くなる利点もある。体幹部固定具についても変形が可能である。例えば、バキュームピローの充填材は発泡スチロールの代わりに、樹脂製のビーズを適用することもできる。また、ボディフレームと複数本のベルト等によって患者の体幹部を固定することも可能である。また、コントローラ１６に液晶画面が設けられていても良いし、ビデオ出力端子に他のモニタが接続されていても良く、そうすると、仰臥している患者Ｋも呼吸波形を確認することができる。

１ＣＴスキャン装置２ガントリ
３寝台５開口部
７台座８テーブル
１０呼吸同期用信号生成装置１１体幹部固定具
１２横隔膜圧迫具１４体動検出センサ
１６コントローラ１７ボディフレーム
１８バキュームピロー２１吸引ポンプ
２３支持台２４駆動軸
２５圧迫板２８受圧容器
２９センサ格納容器３１薄膜センサ素子
３５送信機３７気体流体

Claims

入力される同期信号に同期して制御されるＣＴスキャン装置、ＰＥＴ装置、放射線治療シミュレーション装置、または放射線治療装置に、患者の呼吸に同期する同期信号を送信する呼吸同期用信号生成装置であって、
前記呼吸同期用信号生成装置は、患者が仰臥する寝台上に設けられ該患者の体幹部を固定する体幹部固定具と、前記患者の腹部近傍に設けられている横隔膜圧迫具と、前記患者に接触して呼吸による体動を圧力の変化として検出する体動検出センサと、前記体動検出センサからの出力を受けて呼吸に同期する呼吸同期用信号を生成するコントローラとから構成され、
前記横隔膜圧迫具は、前記患者の腹部の上方に架設されている支持台と、前記支持台に上下方向に駆動可能に支持されている駆動軸と、該駆動軸の先端に設けられている圧迫板とから構成され、前記駆動軸を下方に駆動すると前記圧迫板が前記患者の季肋下部を押して横隔膜を圧迫するようになっており、
前記体動検出センサは、可撓性を有し全体が扁平なシート状を呈する中空の受圧容器と、所定の管路を介して前記受圧容器と連通している中空のセンサ格納容器と、前記センサ格納容器に格納されているＰＶＤＦ、窒化アルミニウム、または酸化亜鉛からなる薄膜センサ素子と、前記受圧容器と前記センサ格納容器に気密的または液密的に封入されている流体とから構成され、前記受圧容器に作用する圧力が、前記流体を介して前記薄膜センサ素子に作用して検出されるようになっており、
前記受圧容器は、前記患者と前記圧迫板の間、または前記患者と前記体幹部固定具の間に挟まれるように設けられるようになっていることを特徴とする呼吸同期用信号生成装置。
請求項１に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記体幹部固定具は、底板と所定形状の一対の側板とからなる所定の形状のボディフレームと、前記ボディフレーム内に設けられ、可撓性と気密性を有する所定の袋と該袋に入れられた所定量の細粒状の発泡スチロール充填材とからなるバキュームピローと、前記袋に所定の管路を介して接続されている吸引ポンプとから構成され、前記バキュームピロー上に患者を仰臥させて前記吸引ポンプによって空気を吸引すると、前記バキュームピローが前記患者の背面部と側部に密着して固化するようになっていることを特徴とする呼吸同期用信号生成装置。
請求項１、または請求項２に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記受圧容器と前記センサ格納容器は、同一の容器から形成されていることを特徴とする呼吸同期用信号生成装置。
請求項１〜３のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記流体は、シリコンオイルまたは鉱物油からなる液体、あるいは空気または不活性ガスからなる気体であることを特徴とする呼吸同期用信号生成装置。
請求項１〜４のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置において、前記コントローラには、モニタが接続される画像出力端子が設けられ、呼吸波形や呼吸同期用信号をグラフ化して出力できるようになっていることを特徴とする呼吸同期用信号生成装置。
請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた断層撮影装置。
請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた放射線治療シミュレーション装置。
請求項１〜５のいずれかの項に記載の呼吸同期用信号生成装置を備えた放射線治療装置。