JP2013544590A - 不規則な形状をもつ面を照射する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、放射源からの電磁放射によって体表面を照射または処置する方法に関し、体表面は、確定されて照射される、不規則に縁どられた少なくとも１つの処置面を有しており、体表面が複数の部分面に分割され、これらの部分面は処置面を少なくとも部分的に含んでおり、各々の部分面に含まれる処置面部分がシーケンシャルに、またはスクロール式に、またはステップごとに、または的確に放射線量で照射されることを特徴とする。

Description

本発明は、放射源からの電磁放射によって体表面を照射または処置する方法に関するものであり、体表面は、確定されて照射される、不規則に縁どられた少なくとも１つの処置面を有している。

さらに本発明は、少なくとも１つの放射源と、体表面に光変調器を結像するための光学系を備える少なくとも１つの処置ヘッドと、照射されるべき少なくとも１つの処置面を体表面で認識する手段と、少なくとも１つの光変調器、特にマイクロミラーアクチュエータとを含む、面を照射または処置する装置に関する。

米国特許出願公開第２００３／００４５９１６Ａ１号明細書、米国特許出願公開第２００８／００５１７７３Ａ１号明細書、ならびにドイツ特許出願公表第６９８３４８２７Ｔ２号明細書は、紫外線フォトセラピーによる、たとえば乾癬のような炎症性、繁殖性の皮膚障害を処置する方法およびシステムを開示している。この方法およびシステムは、患者の皮膚をスキャンし、該当する皮膚の領域を指定し、選択的に高い線量のフォトセラピー紫外放射を指定された領域へ放出するために、光学技術を利用する。

選択的なフォトセラピーで技術的に問題となるのは、常に、ＵＶＡおよびＵＶＢのスペクトル領域のできるだけ高い出力が求められることである。ＵＶＡ領域でのフォトセラピーについては、医学上の指針に基づき、最大で１３０Ｊ／ｃｍ^２の線量が皮膚面で必要となる。特にこの理由から、生化学的な作用物質（たとえばソラレン）によって皮膚の光感受性が明らかに高くなる、いわゆるＰＵＶＡセラピーが開発されている。すなわち経口摂取または皮膚の局部的な処置（クリームや浴液）の後に、紫外放射に対して皮膚の感受性が明らかに高くなる。ＰＵＶＡセラピーでは、０．１Ｊ／ｃｍ^２から１０Ｊ／ｃｍ^２の照射線量が必要となる。ＵＶＢ放射によるフォトセラピーではこれより少ない線量しか必要ないが、それでも、依然として０．０５Ｊ／ｃｍ^２から約１．０Ｊ／ｃｍ^２の範囲内である。

高い線量のレベルは、典型的には最小紅斑線量（ＭＥＤ）の２倍よりも大きく、しばしばおよそ１０ＭＥＤである。このような線量レベルは、該当する皮膚領域の処置に際して非常に効果的であるが、該当しない皮膚領域も、たとえば通常の皮膚も、深刻に害することになる。乾癬またはその他の障害に該当する皮膚領域だけが、高い紫外放射線量について指定されることを保証するために、この方法およびシステムは、該当する皮膚の独立した生理的指標に関わる１つまたは複数の光学診断法を適用する。

このとき放射源としては、不規則な形状をもつ処置面をミラーを介して行ごとに照射するレーザ光源が主として用いられる。このような種類の放射源は非常に高性能ではあるものの、非常に高価でもあるという重大な欠点を有している。

本発明も前提とするドイツ特許出願公開第１０２００５０１０７２３．０Ａ１号明細書に記載の装置は、こうした欠点を回避している。同文献では放射源として紫外線ランプが提案されており、その光が、デジタルミラーデバイスとしても知られるマイクロミラーアクチュエータにより、体表面へと向けられるからである。マイクロミラーアクチュエータはマイクロ工学モジュールであり、可動式の個々のミラーによって光を的確に誘導し、マトリクス状の構造を用いて、個々のミラーの切換により、各々のミラーの切り換えられたピクセルが組み合わされてなる画像をなすように、光が投影されて現れるようにする。このようなテクノロジーに著名な製造者が与えている同義語、商標、名称には特に、Texas Instruments社のデジタルマイクロミラーデバイスＤＭＤや、デジタルライトプロセシング（ＤＬＰ）などがある。

このような、あるいは切換可能な液晶を用いて作動する光変調器、いわゆるＬＣＤは、放射源とともに処置ヘッドの結合光学系と１つのモジュールをなすように組み合わされており、光変調器の結像により、体表面に向かって目標の方向へ放射を指向的に放出するために利用される。したがって処置ヘッドとは、体表面の一部である不規則に縁どられた処置面に、放射線量を的確に集束させて適合的に印加する装置である。

しかしながら、レーザ光源に比べてはるかに低コストな紫外線ランプでは、患者に対する処置時間が長くなるという欠点を甘受せざるを得ない。紫外線ランプから放射される光出力の一部だけしか、光学系により捕捉して光学的に利用することができないからである。

このように、選択された皮膚面に低コストな照射をするための照射装置、さらには短い治療時間をも可能にする照射装置を求める緊急の必要性がある。

本発明の課題は、患者に照射をするときの処置時間を短縮することにある。

放射源からの電磁放射によって体表面を照射または処置する方法において、体表面は、確定されて照射される、不規則に縁どられた少なくとも１つの処置面を有しているものにおいて、この課題は、たとえば６３０×８４０ｍｍの体表面が複数の部分面に分割され、たとえば９０×１２０ｍｍの大きさの７×７個の部分面に分割され、これらの部分面は処置面を少なくとも部分的に含んでおり、各々の部分面に含まれる処置面部分がシーケンシャルに、またはスクロール式に、またはステップごとに、または的確に放射線量で露光されることによって解決される。ここで放射線量とは、処置面に当たる放射の時間と出力との積を意味している。紫外線ランプの出力は同じままで、放射が体表面全体に向けられるのではなく、これよりもはるかに小さい部分面にのみ向けられる。したがって出力密度は、すなわち単位面積あたりの出力は、たとえば４９の係数だけ増大する。そのようにして、照射される部分面に同一の線量を当てるために、部分面の照射時間を相応に逆数で短縮することができる。すべての部分面が順次照射されるのであれば、患者の処置時間の短縮を生じることはない。しかし、患者の病像が体表面全体を覆う処置面からなるというのは、きわめて稀なケースである。不規則に縁どられた複数の小さな処置面が、体表面に存在している場合のほうがはるかに多い。そうしたケースでは、多くの部分面が処置面部分を含んでいないので、これらに照射をする必要はない。そのような部分面は除外することができる。体表面の部分量の部分面だけが、多くの場合には１つから５つの部分面だけが照射され、患者にとっての処置時間は驚くほど劇的に短縮される。すなわち、患者の処置時間を短縮するという課題がこれにより解決される。

このように、出力密度が高くなるという利点がある。体表面に比べて、すなわちたとえば６３０×８４０ｍｍの最大の全照射面積に比べて、部分面は４９倍高いエネルギー密度を有している。放射源により利用可能な全出力が、適用可能な体表面の広がり全体に分配されるのではなく、探索された部分面にだけ適用される。探索された部分面の照射により、従来式の方法に比べて時間のメリットが生じるので、方法の経済性も向上する。部分面の面積を減らすことで、いくつかのケースでは、使用する放射源の出力を削減することもでき、それにより、いっそう低い調達コストが生じるとともに、いっそう長い光源の耐用寿命も得られる。短縮された処置時間は、いっそう高い装置の稼働率を可能にし、それに伴って処置時間や待ち時間の短縮を可能にする。照射線量は、０．０５Ｊ／ｃｍ^２と１．５Ｊ／ｃｍ^２の間であるのが好ましい。そして部分面がシーケンシャルにくまなく順次照射され、それにより、処置面のモザイク状の映像が生じることになる。体表面の照射されるべき部分面は、体表面の部分面への行ごとの、または列ごとのアプローチによって露光することができる。このようなステップ・アンド・リピート方式では、処置ヘッドを繰り返し加速、走行、制動させて、機構的なシステムにより、それぞれの部分面を再びつなぎ合わせなくてはならない。

しかしながら、上に説明したステップ・アンド・リピート方式に代えて、露光されるべき部分面への直接的なアプローチのほうが好ましい。そのほうが、少ない加速時間と制動時間しか生じないからである。

相並んで位置する部分面がスクロール式にアプローチされれば、照射装置の全体的機構が、発生する加速力と制動力をほぼ免れる。このとき、行単位または列単位のスクロールする画像のような形式で、移動速度に同期して隣に位置する行または列への移行が行われ、もっとも外側の列または行だけが新たに書き込みされ、ないしは消去される。相応のシフトレジスタが、記憶装置としての役目を果たす。

[Ａ２]本方法の実施形態では、処置面のトポロジーが判定されることが意図される。多くのケースでは、処置面は平坦ではなく高さや深さを有しており、すなわち部分面は、光学系の光学軸とは異なる方向を向く法線を有しているので、単位面に当たる放射にも相応の出力密度差が生じる。処置面のトポロジーを検出してから、その影響を算出し、部分面の各々のピクセルについて修正を行うことができ、それにより、光学軸に対する角度位置に関わりなく、障害に呼応した線量を投与することができる。

[Ａ３]処置面を処置するための放射線量分布が判定されることにより、障害の強さに依存して、部分面の各々のピクセルについて相応の個別的な放射線量を処置面に到達させることができる。設定される限界値を場所依存的に定義して、厳密に守ることもできる。

[Ａ４]処置面が反復して確定されることにより、反復頻度に応じて位置変化を迅速に認識し、補正することができる。たとえば１つの部分面を照射するたびに処置面を新たに判定することができ、判明した変化ベクトルの分だけ、部分面の位置を修正することができる。これが頻繁に行われるほど、いっそう正確かつ迅速に修正を行うことができる。その限界は計算速度によって規定される。そのために必要な計算プロセスが、部分面の照射に狂いを生じさせないようにする。

[Ａ５]部分面および／または体表面における最大の放射出力分布も判定されると、結像光学系の光度誤差も補正することができるという利点がある。放射出力分布を測定するために、たとえば体表面のすべての部分面に非変調光を作用させて、その場所的な出力を適当な仕方により測定する。理想的な場合には、場所的な相違が発見されることはない。このことは部分面のピクセルについても当てはまる。しかしながら、たとえば光学軸から周縁部に向かって部分面のピクセルの場所的な出力差が判明したときには、制御部が相応の修正を行って、結像誤差が放射の場所的な線量に悪影響を与えないようにすることができる。

[Ａ６]放射出力分布が光変調器の変調によって、特にマイクロミラーアクチュエータの変調によって、場所的な照射線量分布に合わせて適合化されることにより、疾患のある皮膚個所の個別的に適合化された処置に合わせて、照射線量を特別に正確に調整することができる。線量超過のリスクが最低限に抑えられる。時間依存的な強度変調式の照射によって、照射線量の特別な時間的経過により皮膚表面にいっそうプラスの影響を与えることが可能になるという利点がある。

[Ａ７]光変調器の結像縮尺の変更によって放射出力密度が調整され、体表面における光変調器の結像が部分面として選択されると、最大限実現可能な放射密度でもマイクロミラーアクチュエータによって特別に巧妙に調整することができる。マイクロミラーアクチュエータは、さまざまなサイズ、形状、バリエーションのものが入手できる。治療的に望ましい閾値を任意に実現し、もしくは治療的に危険のある限界値を確実に超えないようにすることが可能であるのが好ましい。

[Ａ８]上記の課題は、少なくとも１つの放射源と、体表面に光変調器を結像するための光学系を備える少なくとも１つの処置ヘッドと、照射されるべき少なくとも１つの処置面を体表面で認識する手段と、少なくとも１つの光変調器、特にマイクロミラーアクチュエータとを含む、面を照射または処置する装置において、本装置が、体表面を部分面に分割するように構成された制御部と、これにより制御される、照射されるべき部分面に依存して処置ヘッドを部分面に向けるように構成された位置駆動装置とを有していることによって解決される。照射面の広がりが、体表面の部分面に分割されるのが有意義である。このような部分面が照射面の一部分だけを含んでいるとき、このことは、照射面の不規則な縁どりの一区域を部分面が通過することを意味している。そのときにはマイクロミラーアクチュエータにより、露光をするために照射面の側のピクセルがオンになり、それ以外のピクセルはオフになる。縁取りの一区域を含んでいないが、照射面部分を含んでいる部分面のピクセルは、露光時に全面的にオンになる。それ以外の部分面は、すなわち、縁取りを含まず照射面部分も含まない部分面はアプローチされず、露光されない。それによって処置時間が短縮されるという利点がある。

[Ａ９]本装置の１つの好ましい実施形態では、本装置は、身体を載せるためのプレートと、処置ヘッドを移動可能に取り付けるためのゲートとを有している。プレートの上で患者は楽に寝た姿勢をとり、リラックスすることができる。処置ヘッドは、患者の上方で自由にゲートに配置することができ、そこで多軸式に自由に位置決めすることができる。処置ヘッドの自由な位置決め可能性により、あらゆる皮膚表面の最善の照射が可能となる。それにより、特にゲートの支持部が旋回可能に構成されていれば、湾曲した皮膚表面の照射も可能になるという利点がある。これに加えて処置ヘッドの自由な位置決め可能性は、処置ヘッドと皮膚表面との間の距離の調整を可能にする。

[Ａ１０]ゲートがプレートに対して相対的に移動可能に構成されるという方策は、患者の姿勢の変更を行う必要なしに、患者のほぼあらゆる皮膚個所への自由な到達を可能にする。

本発明による方法および装置は美容上の放射投与のために、たとえば皮膚を褐色にするために、業務で適用することができる。あるいはそれ以外の生物学的な物質の照射も、診断や研究の枠内で可能である。あるいはこれ以外の産業上の利用分野でも、たとえば光化学、光生物学、紫外線硬化型接着剤の技術などでも照射装置を適用することができ、それが該当するのは、２８０ｎｍから２５００ｎｍの波長領域での正確な位置と強度変調可能な照射が対象となる場合であり、たとえば、三次元の物体を製作するために液状プラスチックを露光してこれを架橋させるためなどである。

照射の手順を示す模式図である。 本発明による装置を示す斜視図である。 本装置の寝台面の上にいる人物を皮膚表面に投影された光格子とともに示す斜視図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら一例として説明する。具体的には、図面の各図は上記のものを示している：
図１には、本件出願で体表面６と呼ぶ最大限可能な照射面が示されている。体表面６は、処置されるべき人物２（図３）の皮膚表面で処置ヘッド７により到達可能な作業領域を特徴づけるものであり、たとえば人間の身体の片側半分について７０ｃｍ×９０ｃｍであり、すなわち全体で６３００ｃｍ^２である。処置面２０は手作業で画定されて制御部８に入力されるか、または、障害のある皮膚領域の自動式の画像認識によって認識される。体表面６をマーキングするために、光フレーム１０（図３）が体表面６に投影される。このとき光フレームの格子は、部分面のマトリクスへの、すなわち図示した例では１１×１４の部分面のマトリクスへの、体表面６の分割に対応しているのが好ましい。

画像認識は、投影される格子または投影される線条パターンを処置面のトポロジーの判定のために評価するカメラによって行われる。各々の部分面９について、またはさらに好ましくは部分面の各々のピクセルについて、光学軸に対する方向が判定されて修正係数が算出され、この修正係数により、どの面部分でも希望どおりの線量が印加されるように、放射出力がピクセル単位で正確に修正される。

制御部８（図２）を通じて、ピクセル単位で正確に定義される処置面６のパラメータ化が処置者により入力され、または自動式の画像認識により、自動式に行われる診断および／または自動式に判定されるトポロジーおよび／または装置固有の出力分布に依存して提案される値が操作される。このときパラメータ化は、特に疾患のある皮膚領域２１の分布と厚みに依存して決まる。こうしたパラメータ化に基づき、処置面６が制御部８により、処置面２１の各部分を含んでいるので照射されなくてはならない部分面５の各グループに下位区分される。制御部８は、パラメータ化が入力されていない場合、体表面６のすべての部分面のグループ化が自動的に生成されるようにプログラミングされている。

このときすべての部分面９の面積の合計が、体表面６に相当する。個々の部分面９は、特にＤＭＤである光変調器の結像面に相当する。このようなＤＭＤは行と列に配置されたミラーのマトリクスで構成されており、その各々が部分面９の１つのピクセル２３をなす。

疾患がある皮膚領域２１とその正確なピクセルの位置を判定するために、自動式の画像認識が利用される。そのために処置ヘッド７が、体表面６の全体にわたって移動する。次いで、画像認識と診断に適した放射スペクトルが、処置ヘッド７によって体表面へ放出される。皮膚表面２３からのスペクトルの反射がカメラで受信される。障害があり疾患がある皮膚領域２１が、反射されて記録された放射スペクトルを分析することで診断され、その診断が、各々のピクセルに割り当てられる。したがってカメラの解像度は、少なくとも、体表面６に存在しているピクセルの数に相当しているのがよい。カメラの解像度がこの要求を満たしていないときは、診断を各々の部分面９について個別に行い、制御部８に保存することもできる。このケースでは、光変調器のピクセル数を満たすカメラの解像度があれば足りることになる。

照射されるのは、処置面２１の一部を有している部分面９のグループ５だけである。さらに部分面９の内部では、相応の診断が存在して保存されていることによって処置面２１に割り当てられたピクセル２３の面だけが照射される。そのために照射シーケンスが図１に示されている。照射されるべき部分面９のグループ５は、もっとも左上に位置するスタート面２８を起点とし、順序３０に従ってシーケンシャルに照射される。図示したケースでは、露光されるべき部分面が行ごとにアプローチされる。スタート面２８から、処置ヘッド７は右に位置する次の停止点３１へと動き、これに付属する部分面９を照射する。これらの間に位置する部分面９は、処置面２１の部分を有していないので通過される。反復式のステップ・アンド・リピートにより、処置ヘッド７の経路でもある順序３０に沿って、処置面２１の全体が照射されてから、最終面２９に達して処置が終了する。各々のピクセル２３について、投与されるべき放射の線量が制御部８に保存されている。最大線量は、ピクセル面に関する最大出力と、照射時間との積である。すべての部分面９について照射時間は等しい。可変のデューティ比を有するマイクロミラーの高い周波数で行われる開閉により、処置面２１のピクセル面に当たる放射の出力が、ゼロと最大出力との間で調整される。したがって、マイクロミラーの開閉のこのような周波数は、照射時間中における皮膚表面２４での照射線量も変更する。部分面９における出力分布に対する光学系の影響、および処理面２１のトポロジーの影響が、線量の計算にあたって修正されて、どの部分面９も希望どおりの線量を受けるようにされる。

処置面２１の画像認識は反復して実施される。２つの画像認識結果を比較することで、処置面２１の位置変化が認識されて、この変化のベクトルが判定される。このようなベクトルにより、露光されるべきピクセル２３のマトリクスが定期的に修正され、それにより、処置中における患者の動きが処置に影響を及ぼすことがない。

図２には、本発明による方法を実施するための装置１１が示されている。装置１１は、２つの側面支持体１３と、これらをつなぐ上側のトラバース１４と、下側のトラバースとしての作用をするプレート１６とを含むフレームすなわちゲート１２で構成されている。ゲート１２の側面支持体１３は、ジョイント１５によってそれぞれ分かれている。このジョイントにより、ゲートの上側部分を約３０度だけ、側面支持体１３の下側部分に対して各々の側で旋回させることができる。ジョイント１５の下方には、患者２の寝台面としての役目をするプレート１６が配置されている。このプレートは、患者２が上に載るために、高さ調節可能なように側面支持体１３と連結されている。プレート１６は、フレーム１２の下側のトラバース１４を形成する。フレーム１２の上側のトラバース１４には、水平方向の軸１７に沿って処置ヘッド７を移動させるためのリニアドライブ１８が取り付けられている。これに加えて、処置ヘッド７は垂直方向の軸４に沿っても移動可能である。上側のトラバース１４の形態の、フレーム１２の両方の側面支持体１３の水平方向の連結部は、側面支持体１３の上側部分がジョイント１５を中心として偏向したときに、旋回角度３３に対して反対向きに角度３２だけ旋回する。このとき処置ヘッド７は、その垂直方向の向きに関して変化を受けない。

患者の側方の皮膚領域により良くアクセス可能にするために、旋回運動のこうした組み合わせを解除することもできる。

装置１１の制御部８は、ロッド保持部２５により装置１１と接続されている。別案として制御部８は、処置ヘッド４のさまざまな位置駆動装置のパワーエレクトロニクスとケーブル接続または無線接続される。位置駆動装置としては、電気式のスピンドルナット伝動装置や、電気式のリニアドライブが選択的に使用される。

図３は、プレート１６の上に載った人物２の図を示している。処置ヘッド７により到達可能な体表面６が、皮膚表面２４に投影された光格子１０によって明示される。光格子は、体表面６を部分面９に区分する。これらの部分面の部分量が処置面２１の部分を含んでおり、その縁どりが符号２０でマーキングされている。部分面９のグループ５だけが、処置面２１を含んでいる。したがって、このグループだけが処置ヘッドによりアプローチされる。

１
２ 人物
３
４
５ 部分面のグループ
６ 体表面
７ 処置ヘッド
８ 制御部
９ 部分面
１０ 光格子
１１ 装置
１２ フレーム
１３ 側面支持体
１４ 上側のトラバース
１５ ジョイント
１６ プレート
１７ 直線軸
１８ アクチュエータ
１９
２０ 縁どり
２１ 処置面
２２
２３ ピクセル
２４ 皮膚表面
２５
２６ ロッド保持部
２７ ジョイント軸
２８ スタート面
２９ 最終面
３０ 順序
３１ 停止点
３２ 角度
３３ 角度

Claims (10)

1. 放射源からの電磁放射によって体表面を照射または処置する方法であって、体表面は、確定されて照射される、不規則に縁どられた少なくとも１つの処置面を有している、そのような方法において、体表面が複数の部分面に分割され、これらの部分面は処置面を少なくとも部分的に含んでおり、各々の部分面に含まれる処置面部分がシーケンシャルに、またはスクロール式に、またはステップごとに、または的確に放射線量で照射されることを特徴とする方法。
2. 処置面のトポロジーが判定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 処置面を処置するための放射線量分布が判定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 処置面が反復して確定されることを特徴とする、請求項１，２または３に記載の方法。
5. 部分面および／または体表面における最大の放射出力分布が判定されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項または複数項に記載の方法。
6. 放射出力分布が光変調器の変調によって、特にマイクロミラーアクチュエータの変調によって、場所的な照射線量分布に合わせて適合化されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項または複数項に記載の方法。
7. 放射出力密度が光変調器の結像縮尺の変更によって調整され、体表面における光変調器の結像が部分面として選択されることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項または複数項に記載の方法。
8. 面を照射または処置する装置であって、
   少なくとも１つの放射源と、
   体表面に光変調器を結像するための光学系を備える少なくとも１つの処置ヘッドと、
   照射されるべき少なくとも１つの処置面を体表面で認識する手段と、
   少なくとも１つの光変調器、特にマイクロミラーアクチュエータとを含んでいる、そのような装置において、
   前記装置は、体表面（９）を部分面（３）に分割するように構成された制御部（８）と、これにより制御される、照射されるべき部分面（３）に依存して前記処置ヘッド（５）を部分面（３）に向けるように構成された位置駆動装置（４）とを有していることを特徴とする装置。
9. 前記装置は、身体を載せるためのプレートと、前記処置ヘッドを移動可能に取り付けるためのゲートとを有していることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記ゲートは前記プレートに対して相対的に移動可能なように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。

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