JP2019524309A - 縦平面で回転するアームとしての粒子線治療用のガントリ - Google Patents

Abstract

本発明は、粒子線治療用のシステム（２，２’）であって、粒子線（４）の流れ方向で見て、ａ）ターゲット体積へのビーム供給のための調節可能なガントリ（１０，１０’）を備えており、ガントリは、ａ１）ほぼ水平に向けられていてこれにより水平面を規定する入射粒子線（４）用のビームカップリング区分（６）と、ａ２）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石（１２，１４）を有する第１のビーム屈曲区分（８，８’）であって、第１の屈曲区分（８，８’）は、粒子線（４）を調節可能な角度で鉛直平面内へと曲げるか、または水平面内で９０度曲げるが、入射粒子線（４）の軸に沿って調節可能な角度で回転させることができる機械的手段を有している、第１のビーム屈曲区分（８，８’）と、ａ３）第１のビーム屈曲区分（８，８’）を出る粒子線（４）を受け取り、粒子線（４）を第２のビーム屈曲区分（１８）へと案内するビーム搬送区分（１６）と、ａ４）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石を有する第２のビーム屈曲区分（１８）と、ａ５）粒子線（４）の出口用の窓を有するビームノズル（２０）と、を有しており、粒子線治療用のシステム（２，２’）はさらに、ｂ）水平面内でまたは水平面に対して平行な平面内で回転可能であって、選択的に鉛直方向で調節可能な患者台／患者椅子（２２）を備えており、ｃ）ガントリ（１０，１０’）は傾動機構（２４）によって支持されており、傾動機構によりガントリ（１０，１０’）は角度Φ１、Φ１ε［−９０°；＋９０°］だけ鉛直方向に傾くことができ、ガントリ（１０，１０’）は、第１の屈曲区分（８，８’）の領域に配置されたピボット（７，７’）を有しており、ｄ）第２のビーム屈曲区分（１８）とビームノズル（２０）とが、角度Φ１によって与えられる方向を中心として角度Φ２、Φ２ε［−１８０°；＋１８０°］だけ回転可能であるように、回転機構（２６）が配置されている、粒子線治療用のシステム（２，２’）を開示している。

Description

本発明は粒子線用のガントリに関する。

陽子線治療およびイオン治療ではしばしば、入射ビームを最も適切な角度から患者内のターゲット（通常は腫瘍）に対して方向付けるためにガントリが使用される。ガントリは、治療位置の患者−専用の治療台／椅子の上に多くの場合は横になっているが場合によっては腰掛けている−の周りを回転することができる機械的構造に取り付けられた（通常は磁石を含む）ビーム搬送システムである。通常、ガントリの回転範囲は３６０度を僅かに超えるものであるが、いくつかのガントリでは、スペースを節約し、治療中に治療台／治療椅子にいつでもアクセスできるように１８０度を僅かに超えるものも使用される。陽子線治療のために使用される典型的な回転可能なガントリの例は、欧州特許出願第１５１９４７９５．９号、および国際特許出願である国際公開第２０１３／１４９９４５号に開示されている。

回転可能なガントリは、癌性腫瘍体積内に注入されるべき線量を様々なガントリ配向に対してペンシルビーム解像度で供給し、これによりこの腫瘍体積における正確な線量蓄積が可能であると同時に、いわゆるブラッグピークで現れるビーム停止効果により腫瘍体積周囲にある健康な組織が損傷されるのを防止する。しかしながら、Ｃ字型のアーム形状のこれらガントリは、１０トンの重量を含むシステムの回転を可能にするためにかなりのスペースを要する。各ガントリ角度において、ビームエネルギおよびビーム位置およびビーム方向のような所望のビーム特性を得るためには、ビーム供給部品（特に掃引磁石および最後のビーム屈曲磁石）の極めて正確な位置決めが必要である。

したがって、本発明の目的は、粒子線治療用の現行の回転可能なガントリに代わるシステムであって、著しく単純化された設定を提供し、先行技術のガントリにより公知であるビーム供給における柔軟性を少なくとも可能にするシステムを提供することである。現在使用されている回転可能なガントリと比較して、本発明の利点は、低減されたシステム重量と縮小された所要スペースも提供するのが望ましい。

この目的は、本発明によれば、粒子線治療用のシステムであって、粒子線の流れ方向で見て、
ａ）ターゲット体積へのビーム供給のための調節可能なガントリを備えており、ガントリは、
ａ１）ほぼ水平に向けられていてこれにより水平面を規定する入射粒子線用のビームカップリング区分と、
ａ２）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石を有する第１のビーム屈曲区分であって、この第１の屈曲区分は、ビームを調節可能な角度で鉛直平面内へと曲げるか、または水平面内で９０度曲げるが、入射粒子線の軸に沿って調節可能な角度で回転させることができる機械的手段を有している、第１のビーム屈曲区分と、
ａ３）第１のビーム屈曲区分を出る粒子線を受け取り、この粒子線を第２のビーム屈曲区分へと案内するビーム搬送区分と、
ａ４）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石を有する第２のビーム屈曲区分と、
ａ５）粒子線の出口用の窓を有するビームノズルと、
を有しており、システムはさらに、
ｂ）水平面内でまたは水平面に対して平行な平面内で回転可能かつ／または移動可能であって、選択的に鉛直方向で調節可能な患者台／患者椅子を備えており、
ｃ）ガントリは傾動機構によって支持されており、この傾動機構によりガントリは、水平面に対して角度Φ_１、Φ_１ε［−９０°；＋９０°］だけ鉛直方向に傾くことができ、このガントリは、ビームカップリング区分の領域に配置されたピボットを有しており、
ｄ）第２のビーム屈曲区分とビームノズルとが、角度Φ_１によって与えられる方向を中心として角度Φ_２、Φ_２ε［−１８０°；＋１８０°］だけ回転可能であるように、回転機構が配置されている、
粒子線治療用のシステムによって達成される。

このシステム設計の利点は、先行技術による従来のガントリと比較して低減された処置室の設置面積、および第２のビーム屈曲区分を上下に動かすための極めてシンプルな機械的構造にある。さらに、第１のビーム屈曲区分と第２のビーム屈曲区分との間のビーム搬送区分にデグレーダおよび／またはビームスキャニングシステムを取り付けることができる一方で、スキャニングシステムは、第２のビーム屈曲区分の下流のノズル内に取り付けられることもできる。さらに、従来のガントリと比較して、２つの回転軸により、治療角度をどのように構成するか、および場合によっては生じる位置合わせ誤差をどのように修正するかという選択において追加の自由度が得られる。

容易に実施および／または維持することができるシステムのジオメトリ設定に関して、すなわち品質管理のために、以下の基本設定を選択することができる。
ａ）Φ_１が最大でありΦ_２＝０°のとき、粒子線が鉛直方向から下方に向かって患者台／患者椅子へと向けられる；
ｂ）Φ_１が最小でありΦ_２＝１８０°のとき、粒子線が鉛直方向から上方に向かって患者台／患者椅子へと向けられる；
ｃ）Φ１＝０°でありΦ_２＝−９０°のとき、粒子線が水平方向で一方の側から患者台／患者椅子へと向けられる；
ｄ）Φ１＝０°でありΦ_２＝９０°かつ水平面内の患者台／患者椅子の回転が１８０°のとき、粒子線が水平方向で他方の側から患者台／患者椅子へと向けられる。

これらの設定により、治療計画の必要性および要求に応じてビームの向きの「遊び」が得られ、基本設定ａ）〜ｄ）による位置のうちの１つに容易に戻ることができる。したがって、これらの設定により、Φ_２の範囲を［１８０°；＋１８０°］に拡張することができる。

Φ_２の傾動角度は好適には、０°から＋１８０°の範囲であり得るので、アイソセンタおよび患者台／患者椅子は常に、ガントリの同じ側にある。このようにして、ガントリの設置面積が最小にされる。

複雑ではない方法で制御することができる機械的設定を実現するために、傾動機構は、伸縮式アーム、またはリフトアームに沿った１つまたは２つのチェーンに基づくリフト機構を有していてよい。

さらに、ビーム搬送区分も伸縮区分を有していてよい。これによりオペレータは、傾動中、水平面を通るビームの点（システムのアイソセンタ）について位置を保持することができる。この場合、傾動によるガントリの水平成分における変化を補償するために、ビーム搬送区分が長さ調節可能であるならば適切である。このようにして、アイソセンタは、第１の屈曲区分後のビームの方向に対して垂直な直線上に位置する。

いくつかの設備では、第１および／または第２の屈曲区分のために必要な方向に正しく粒子線を供給することができないかもしれない。したがって、第１のビーム屈曲区分が、水平面内でも偏向させる磁石セットを有しているならば有用である。第１の屈曲区分自体もまた、入射線方向と一致する軸の回りに機械的に回転することができる。第１の屈曲区分における磁場による９０度の偏向と第１のビーム屈曲区分の機械的回転との組み合わせにより、ガントリの第１の角度Φ_１が規定される。したがって、第１のビーム屈曲区分は、第１の角度Φ_１によって与えられる方向にだけではなく、さらなる方向、すなわちビームがその発生後に供給される水平面内、すなわちサイクロトロン内にもビームを曲げることができる。

好適な実施形態では、このシステムは付加的に、第２の屈曲区分を出るビームの方向に対して垂直な横方向でビームを広げるためのビームスプレッディングシステムを有していてよい。ビームスプレッディングシステムは、ビーム直径を増大させる散乱システムおよび／または横方向にビームを走査する高速偏向磁石のシステムを含むことができる。ビームスプレッディングシステムは、第２の屈曲区分の手前（上流）または背後（下流）に並べることができる。

本発明の好適な実施形態を、以下に添付の図面に関連してより詳しく説明する。

粒子線治療用の第１のシステムを概略的に示す斜視図である。 図１に対して僅かにのみ変更された粒子線治療用の第２のシステムを概略的に示す斜視図である。 粒子線が鉛直方向で下方に向かって案内されるとき（ａ）、および鉛直方向で上方に向かって案内されるとき（ｂ）の、図１によるシステムの位置を概略的に示す図である。 粒子線が水平方向に一方の側から案内されるときの図１によるシステムの位置を概略的に側方から示した図（ａ）、および上方から示した図（ｂ）である。

図１には、粒子線治療供給のための第１のシステム２が概略的に示されている。このシステム２は、入射粒子線４用のビームカップリング区分６と、それに続く第１の屈曲区分８とを有している。この実施例では、ガントリ１０が傾動機構２４によって支持されており、この傾動機構によりガントリ１０は第１の角度Φ_１、Φ_１ε［−９０°；＋９０°］で鉛直方向に（ｚ軸に沿って）傾動することができる。この場合、ガントリ１０は、ｚ方向での完全なガントリ１０の傾斜を可能にするために、ビームカップリング区分６の入口に配置されたベアリング（ピボット）７を有している。第１の屈曲区分８は、陽子線またはイオンビームのような粒子線４を鉛直平面ｙｚ内で角度Φ_１に曲げる。

さらに、第２の屈曲区分１８とビームノズル２０とを回転機構２６によって回転させることができる。この回転機構は、ガントリの設置面積を制限するために、第２のビーム屈曲区分１８とビームノズル２０とが、角度Φ_１によって、しかし好適にはΦ_２ε［０°；＋１８０°］によって与えられる方向を中心として角度Φ_２、Φ_２ε［−１８０°；＋１８０°］だけ回転可能であるように配置されている。

加えて、第１のビーム屈曲区分８を第２のビーム屈曲区分１８に接続するビーム搬送区分１６は、このビーム搬送区分１６の長さに関して伸縮式に調節可能であって、約０．５ｍの長さの変更が可能である。

図示した例では、第２のビーム屈曲区分１８は、９０〜１３５度の範囲の固定された角度だけビームを曲げる。第２のビーム屈曲区分１８は、第２のビーム屈曲区分１８に入る走査されない（または中央の）ビームのΦ_１によって与えられる方向とほぼ等しい軸に沿って回転可能である。この回転角度Φ_２は、少なくとも１８０度、つまり０度（ビームを下方に向ける）〜＋１８０度（上に向ける）をカバーしている。Φ_２の適切な値は、Φ_１の関数である。Φ_１とΦ_２との組み合わせにより、患者におけるビーム方向の入射角が決まる。

以下の３つの主な入射方向を形成することができる。
・Φ_１が最大（＋）でありΦ_２＝０°のとき、粒子線４は鉛直方向から下方に向かって患者へと向けられる（図３（ａ）参照）。
・Φ_１が最小（−）でありΦ_２＝１８０°のとき、粒子線４は鉛直方向で上方に向かって患者へと向けられる（図３（ｂ）参照）。
・Φ_１＝０°でありΦ_２＝９０°のとき、粒子線４は水平方向で患者へと向けられる（図４（ａ）と（ｂ）参照）。

患者への入射角を微調整するために、すべての方向において小さな屈曲磁石（ステアリング磁石）によって小さな偏差をΦ_１およびΦ_２に加えることができる。第２のビーム屈曲区分１８の出口におけるノズル２０は、適用された線量およびビーム特性を変更させる装置を有することができる。患者台２２は、水平面内で患者位置を移動および回転させることができる位置決めシステムの部分である。このような調整の範囲は、Φ_１およびΦ_２の関数としてアイソセンタの動きを補償するのに十分な大きさでなくてはならない。

方向についての共通理解を持つために、以下の定義が適用される。
・水平面は、Φ_１が０°のとき、第２のビーム屈曲区分１８を出る粒子線４の高さにおける平面である。これは通常、カップリング区分６における入射粒子線４のレベルに等しい。
・処置角度は、患者の向きに対するアイソセンタにおける粒子線の角度であり、Φ_１とΦ_２および患者台／患者椅子２２の向きの組み合わせにより決定される。
・アイソセンタは、ノズル２０から出てくるビームが水平面に交差する位置である。通常、Φ_２は、Φ_１の値によって決まるが、例外的な治療角度または治療ターゲット位置の場合には異なる選択が可能である。

ビーム搬送区分１６から第２のビーム屈曲区分１８を含むところまでの構成要素は、これら構成要素が常に機械的に安定した、または適切な位置に整列するように取り付けられる。アイソセンタ位置は空間内で固定されているのではなく、Φ_１の関数として水平面内の曲線に沿って移動する。この曲線の形状は、第１のビーム屈曲区分８と第２のビーム屈曲区分１８との間に位置するビーム搬送区分１６の調節可能な（伸縮可能な）長さを有するという選択肢が利用されるか否かに依存する。この場合、ビーム搬送区分１６の長さはΦ_１の関数である。この選択肢により、アイソセンタの位置は水平面内直線に沿って移動できるようになる。これは毎日の検査のために、そしてガントリに対する患者の位置決めを照合するイメージ装置に関して有利である。しかしながら、これらの検査に適した器具を用いて、Φ_１およびΦ_２の関数としてのアイソセンタ位置の曲線軌道も可能である。

第２のビーム屈曲区分１８は、第２のビーム屈曲区分が３６０度よりも大きいΦ_２の範囲、または１８０度よりも大きいΦ_２の範囲にわたって回転するように、設計することができる。１８０度の設計の場合、省スペースの処置室、患者台２２の小さい移動範囲、および簡単な回転構造といった主な利点がある。これは図示された構成である。

ここで提案された機構の設計により得られる利点は以下の通りである。
・従来のガントリに対して、処置室設置面積が低減される；
・第２のビーム屈曲区分１８を上下運動させる極めてシンプルな機械的構造；
・第１の屈曲区分８と第２のビーム屈曲区分１８との間のビーム搬送区分１６にデグレーダおよび／またはスキャニングシステム（掃引磁石）を取り付けることができる、またはビームスキャニングシステムを第２のビーム屈曲区分１８のノズル２０内に取り付けることができる；
・従来のガントリと比較して、２つの回転軸により、治療角度をどのように構築するかという選択において１つの追加の自由度が得られる。

図２には概略的に、システム２と比較して僅かに変更された粒子線４を使用する治療のためのシステム２’が示されている。ここでは、線形加速器および／またはサイクロトロンおよび／またはシンクロトロンで生成された粒子線４は、以下でガントリ１０’と呼ばれる粒子線ガントリへと、ｘ方向に沿って水平に送られる。ガントリ１０’はカップリング区分６を有している。このカップリング区分６で、ガントリ１０’は、回転ベアリング７’によってｘ軸に沿って角度Φ_１にわたって回動することができる。この回転ベアリング７’の他に、カップリング区分６は、粒子線４が第１の屈曲区分８’に入る前に、ビーム集束（コリメータ）およびビーム制御／診断機器（詳しくは図示せず）を提供する。通常、この第１の屈曲区分８’は、複数の双極および／または四極磁石１２，１４を有しており、これら磁石は、その磁界によって粒子線４を所望の方向へと曲げるように制御される。この例では、第１のビーム屈曲区分８’は、第１の屈曲区分８’が回転されない場合、粒子線４をｘ方向からｙ方向へと曲げ、したがって水平面で９０度の角度にわたって曲げる。

第１のビーム屈曲区分８’には、第１のビーム屈曲区分８’を出る粒子線４を受け取り、粒子線４を第２のビーム屈曲区分１８へと案内するビーム搬送区分１６が続いている。ビーム搬送区分１６は、例えば国際公開第２０１３／１４９９４５号から公知であるように、ビーム診断のための別の機器、および掃引磁石を有していてよい。

第２のビーム屈曲区分１８は、ガントリ１０’を出て患者台２２へと向かう粒子線４の出口のための窓を有するノズル２０を介して粒子線４を供給するために複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石を有している。患者台２２は、患者を直立位（アップライト位置）で処置することができるようにする患者椅子を含んでもよい。患者台／患者椅子２２は、（ここでは、ｘ軸およびｙ軸によって規定される）水平面内で回転可能および／または移動可能である。選択的に、患者台／患者椅子は、鉛直方向でも調節可能であってよい。

この実施例では、ガントリ１０’は傾動機構２４によって支持されており、この傾動機構によりガントリ１０’は第１の角度Φ_１、Φ_１ε［−９０°；＋９０°］だけ鉛直方向に（ｚ軸に沿って、ｙｚ平面内で）傾くことができる。この場合、ガントリ１０’は、ｘ軸に沿って完全なガントリ１０’の回転を可能にするために、ビームカップリング区分６の入口に配置された回転ベアリング（ピボット）７’を有している。さらに、第２の屈曲区分１８とビームノズル２０とを回転機構２６によって回転させることができる。この回転機構は、ガントリ１０’の設置面積を制限するために、第２のビーム屈曲区分１８とビームノズル２０とが、角度Φ_１によって与えられる方向を中心として角度Φ_２、Φ_２ε［−１８０°；＋１８０°］だけ、しかし好適にはΦ_２ε［０°；＋１８０°］だけ回転可能であるように配置されている。

典型的に、第１の角度Φ_１の範囲は、システム２’の設計に依存する。システム２’のために、第１の角度Φ_１の範囲は、通常は約−４０°〜＋４０°であってよい。第１の屈曲区分８’の後、出射線４は、水平面に対してΦ_１方向に向けられる：Φ_１＜０のときは下方に、Φ_１＞０のときは上方に向けられる。水平面内での屈曲により、第１の屈曲区分８’は、エネルギ選択システムとしても機能することができるように設計することができる。

Claims (7)

1. 粒子線治療用のシステム（２，２’）であって、粒子線（４）の流れ方向で見て、
   ａ）ターゲット体積、すなわち患者の悪性組織へのビーム供給のための調節可能なガントリ（１０，１０’）を備えており、該ガントリ（１０，１０’）は、
   ａ１）ほぼ水平に向けられていてこれにより水平面を規定する入射粒子線（４）用のビームカップリング区分（６）と、
   ａ２）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石（１２，１４）を有する第１のビーム屈曲区分（８，８’）であって、該第１の屈曲区分（８，８’）は、前記粒子線（４）を調節可能な角度で鉛直平面内へと曲げるか、または水平面内で９０度曲げるが、前記入射粒子線（４）の軸に沿って調節可能な角度で回転させることができる機械的手段を有している、第１のビーム屈曲区分（８，８’）と、
   ａ３）前記第１のビーム屈曲区分（８，８’）を出る前記粒子線（４）を受け取り、前記粒子線（４）を第２のビーム屈曲区分（１８）へと案内するビーム搬送区分（１６）と、
   ａ４）複数のビーム偏向磁石および／またはビーム集束磁石を有する前記第２のビーム屈曲区分（１８）と、
   ａ５）前記粒子線（４）の出口用の窓を有するビームノズル（２０）と、
   を有しており、
   当該システム（２，２’）はさらに、
   ｂ）前記水平面内でまたは前記水平面に対して平行な平面内で回転可能かつ／または移動可能であって、選択的に鉛直方向で調節可能な患者台／患者椅子（２２）を備えており、
   ｃ）前記ガントリ（１０，１０’）は傾動機構（２４）によって支持されており、該傾動機構により前記ガントリ（１０，１０’）は角度Φ_１、Φ_１ε［−９０°；＋９０°］だけ鉛直方向に傾くことができ、前記ガントリ（１０，１０’）は、前記第１のビーム屈曲区分（８，８’）の領域に配置されたピボット（７，７’）を有しており、
   ｄ）前記第２のビーム屈曲区分（１８）と前記ビームノズル（２０）とが、前記角度Φ_１によって与えられる方向を中心として角度Φ_２、Φ_２ε［−１８０°；＋１８０°］だけ回転可能であるように、回転機構（２６）が配置されている、
   粒子線治療用のシステム（２，２’）。
2. 以下の基本的な設定が選択される：
   ａ）Φ_１が最大でありΦ_２＝０°のとき、粒子線（４）が鉛直方向から下方に向かって前記患者台／患者椅子（２２）へと向けられる；
   ｂ）Φ_１が最小でありΦ_２＝１８０°のとき、粒子線（４）が鉛直方向から上方に向かって前記患者台／患者椅子（２２）へと向けられる；
   ｃ）Φ_１＝０°でありΦ_２＝−９０°のとき、粒子線（４）が水平方向で一方の側から前記患者台／患者椅子（２２）へと向けられる；
   ｄ）Φ_１＝０°でありΦ_２＝＋９０°のとき、粒子線（４）が水平方向で他方の側から前記患者台／患者椅子（２２）へと向けられる；
   請求項１記載のシステム。
3. 前記傾動機構（２４）は伸縮式アームを有している、請求項１または２記載のシステム。
4. 前記ビーム搬送区分（１６）は伸縮区分を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のシステム。
5. 傾動角度Φ_１による前記ガントリ（１０，１０’）の水平成分における変化を補償するために、前記ビーム搬送区分（１６）は長さ調節可能である、請求項４記載のシステム。
6. 前記第１のビーム屈曲区分（８，８’）は、前記入射線を第１の角度Φ_１によって与えられる方向へと偏向させるための磁石セットを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
7. 前記第２の屈曲区分（１８）を出る前記ビームの方向に対して垂直である横方向に前記ビームを広げるためにビームスプレッディングシステムが設けられており、前記ビームスプレッディングシステムは好適には、ビーム直径を増大させる散乱システムおよび／または横方向に前記ビームを走査する高速偏向磁石のシステムを含み、前記ビームスプレッディングシステムは、前記第２の屈曲区分（１８）の手前（上流）または背後（下流）に並べることができる、請求項１から６までのいずれか１項記載のシステム。

Images