JP3795028B2 - X線発生装置および前記装置を用いたx線治療装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、管状のX線ターゲットの内壁面に大きい入射角(小さい接線入射角)で、入射する高エネルギー電子ビームを入射し、内壁面と前記電子の衝突によりX線を全反射の方向に発生させ、前記X線を管内で全反射させ、狭い放射角度で取り出すX線発生装置、および前記装置を用いたX線治療装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
放射線(X線)治療では、治癒させたい癌の病巣に選択的に放射線を集中し、その周辺の正常な細胞組織にはできるだけ放射線量を減少させるという命題がある。CTにより癌の広がりと立体的な位置を正確に把握できるようになり、このCT画像を基礎にして、線量分布を計算しながら最適な照射方法を求める治療計画を実行するコンピュータ制御の治療計画装置が普及している。原体照射方法を凌ぐ線量集中性を実現するIMRTは照射野内のX線の強度を変化させることにより癌などのターゲット(照射すべき領域)の3次元的形状に対して線量集中度を格段に高めるX線治療法である。この放射線の強度分布を調整する装置がマルチコリメータで、リニアックの照射口の部分に設置されている。
【0003】
このコリメータの制御する方法が現在2通りある。そのひとつの方式はマルチスタチックセグメント方式で、対になったコリメータの片方の照射野が最初覆われて閉じている。照射開始とともに対になったコリメータが、コンピュータ制御により、別々に動き、コリメータの間隙を調節しながら、左方から順に計算で求めたモニター値の照射を実施する。コリメータが一時停止し、照射、また移動し照射を繰り返す方式である。他の方式はスライディングウインドウ方式で、コリメータの移動速度を変えながら動き、照射装置はコリメータに連動して線量率を変えながら連続的に照射する方式である。このコリメータを機械的に動作させる方式は、動作時間がかかること、動作機構が複雑になること、機械的機構のためのメンテナンス作業が必要になるなどの問題がある。
【0004】
従来のX線発生装置であるX線管は、電子源に真空放電を用いるガスX線管(冷陰極X線管)と熱電子X線管(クーリッジ管)のいずれかを用いている。
熱陰極から出た電子線はウェーネルト電極で集束されて、陽極面に焦点を結び、X線を発生させる。陽極物質は、連続X線の場合タングステン、特性X線の場合、特にKα線を得たい場合、鉄、銅、モリブデン、銀が多く用いられる。
制動放射で生ずるX線は、陰極物質に関係なく、連続スペクトルをもつ。制動放射とは、電子が物質中を通るときに、物質の原子核によりその進行方向を曲げられるために放射する(制動放射)X線であり連続X線の性質を示す。またこの連続X線の放射角度は、大きくなる。X線治療にはX線が細いほど照射領域に対して精度よく照射できるので、X線を適度にコリメータによって絞り込む必要がある。このためにX線がコリメータにより吸収されて形成される細いX線の出力は著しく低下させられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、極めて狭い角度のX線ビームを効率良く発生することができるX線発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記X線発生装置を利用したX線治療装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項1記載のX線発生装置は、
真空容器と、
前記容器内に配置され高エネルギー電子ビームパルス列を発生する電子源と、および
前記容器内に配置され、入口開口と前記開口より小さい径の出口開口を有する円錐台状であり、入口開口から内壁面に衝突した電子ビームによりX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接前記出口開口から放出するX線ターゲット管とから構成した制動放射X線を発生する装置である。
本発明による請求項2記載のX線発生装置は、請求項1記載のX線発生装置において、
前記X線ターゲット管の材料は原子量が大きく、さらに高融点、化学的に安定性、または熱放射性に優れた金属であるAu,W,Mo,Pt,Re,から選ばれた1以上の材料である。
本発明による請求項3記載のX線発生装置は、請求項1記載のX線発生装置において、
前記電子ビームは、中心よりは外周の密度が高いリング状の電子ビームであり、ビームの外径は前記ターゲット管入口開口よりわずかに小さく殆どの電子が前記ターゲット管の内壁面に衝突するように構成されている。
本発明による請求項4記載のX線発生装置は、請求項1記載のX線発生装置において、
前記高エネルギー電子ビームは10MeV、パルス幅は3μsec、繰り返しパルス数は300pps程度である。
【0007】
本発明による請求項5記載のX線発生装置は、
真空容器と、
前記容器内に配置された電子源と、および
前記容器内に配置され、入口開口と前記開口より小さい径の出口開口を有する円錐台状であり、入口開口から内壁面に衝突した電子ビームによりX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接前記出口開口から放出するX線ターゲット管とから構成したX線発生装置において、
前記X線ターゲット管は薄い金属材料で構成され、外周に同様な斜面をもつカバー管を設け、前記X線ターゲット管と前記カバー管により、X線ターゲット組立として構成されている。
本発明による請求項6記載のX線発生装置は、請求項5記載のX線発生装置において、
前記X線ターゲット組立の前記X線ターゲット管と前記カバー管は熱的に連結されており、カバー管の表面には冷却フィンが連結され真空容器外に放熱するように構成されてい。
本発明による請求項7記載のX線発生装置は、請求項5記載のX線発生装置において、
前記X線ターゲット組立の前記X線ターゲット管と前記カバー管には、多数の開口が設けられており、前記X線ターゲット管の内部で発生したガスを放出するように構成したガス放出作用をもつものである。
本発明による請求項8記載のX線発生装置は、請求項5記載のX線発生装置において、
前記カバー管は複数の管から構成されている。
本発明による請求項9記載のX線発生装置は、
真空容器と、
前記容器内に配置され電子ビームを発生する電子源と、
前記容器内に配置され対向する2面を有し、対向面が一方側から入射した前記電子ビームに衝突されX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接出口開口から放射するX線ターゲットを含むX線発生装置において、
前記電子源は高エネルギー電子ビームパルス列を発生する電子源とし、平板ローブのX線を発生するように構成されている。
本発明による請求項10記載のX線発生装置は、
真空容器と、
前記容器内に配置され電子ビームを発生する電子源と、
前記容器内に配置され対向する2面を有し、対向面が一方側から入射した前記電子ビームに衝突されX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接出口開口から放射するX線ターゲットを含むX線発生装置において、
前記X線ターゲットの対向する2面と同様な斜面をもつ対向面を有し、前記X線ターゲットをカバーするカバーターゲット板を設け、平板ローブのX線を発生するように構成されている。
本発明による請求項11記載のX線治療装置は、
電子ビームを発生する電子源と、
各内壁面に前記電子ビームが衝突することによりX線を発生する複数のX線ターゲット管と、
前記複数のX線ターゲット管の中心軸が交差するように配置して形成したX線発生源アレイと、
前記X線発生源アレイのターゲット管の中心軸の交差点に患部を位置させる手段と、
から構成されている。
本発明による請求項12記載のX線治療装置は、
電子ビームを発生する電子源と、
各内壁面に前記電子ビームが衝突することによりX線を発生する複数のX線ターゲット管と、
前記複数のX線ターゲット管に前記電子源からの電子ビームを走査して前記X線ターゲットに選択的に供給する走査手段と、
から構成されている。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。図1を参照して本発明によるX線発生装置の基本構成を説明する。真空容器VCの中にX線ターゲット管XTが配置されている。X線ターゲット管XTと入口開口と前記開口より小さい径の出口開口を有する円錐台状である。前記容器VC内前記X線ターゲット管の入口開口から前記ターゲット管の内壁面に高エネルギー電子ビームを入射してX線を発生させ、前記X線がターゲット管の内壁面に入射するときに全反射させられるように配置された電子源Esが配置されている。
【0009】
図2に示すようにX線ターゲット管XTに高いエネルギー電子e1 ,e2 が入射すると、全反射の方向にX線X1 ,X2 が発生する。これらのX線が再度X線ターゲット管XTの内壁に入射すると、全反射して出口開口の方に導かれる。その結果、比較的狭い放射角のX線ビームが真空容器の外にとりだされる。
図3は、X線ターゲット組立の実施例における電子の軌道と発生したX線の軌跡を説明するための説明図である。このX線ターゲット組立300はX線ターゲット管301とカバー管304からなり、図示しない真空容器内に配置され、高真空に保たれている。入口開口302と前記開口より小さい径の出口開口303を有する円錐台状の形状になる。同様に前記容器内には、前記X線ターゲット組立300の入口開口302に管の軸線に平行な高エネルギー電子ビームを発生させる電子源が設けられている。
【0010】
高エネルギー電子ビームの一部の電子305が入口開口302に管の軸線に平行に突入すると前記X線ターゲット管301の壁面に衝突して電子ビームのエネルギーによりX線306が発生する。X線306は右側の出口開口303から放射される。電子ビームの形状は、内部が中空であるドーナツ状の形状で、前記電子ビームの外径は入口開口302に等しく、内径は出口開口303に等しくなる。前記電子ビームはすべてX線ターゲット管301の内壁に衝突することになる。入射した電子線に対して発生させられたX線は幾何光学的に言えば全反射の経路を辿ることになっている。現実には全反射の経路をずれたX線の発生も当然予想されるが、反射角が小(大きい接線入射角)のものは出口開口303に到達できず損失となる分であるから、これを無視して説明を進める。
【0011】
発生したX線はX線ターゲット管301の出口開口303から放射され、外部に取り出され、治療用X線などに利用される。前記X線ターゲット管301は入口開口302の直径は約1mm、出口開口303の直径は約0.5mmと極めて細い円錐管になるので、X線は放射角度の極めて小さいビームになる大きい特徴がある。
【0012】
実際に前記の外形寸法のX線ターゲット管において、左端に衝突した電子がX線を発生したときの走査経路を求める。図4を参照して説明する。X線ターゲット管401の中心線をx軸、中心線と直角の方向にy軸を取る。X線ターゲット管401の左側のP1 点に電子ビームが衝突したときに、X線が進む方向を計算する。P1 の座標は(x1 ,y1 )とする。x1 は1mmとする。X線の放射する軌跡を直線1に、X線ターゲット管401の内壁の上部の直線部を直線2に、X線ターゲット管401の内壁の下部の直線部を直線3に定める。直線3の勾配はtanθであるとすると、x軸に平行に入射する電子ビームに対してX線の軌跡を示す直線1の勾配はtan2θになる。直線1はP1 点を通るので、直線1は次の式で示される。なお、P1 の部分を一部誇張して示してある。
y=tan2θ×(x−x1 )−y1 (1)
直線2は勾配tanθで、点(0,0.5)を通るので、直線2は次の式で示される。
y=−tanθ×x+0.5 (2)
また、直線3は勾配で、点(0,−0.5)を通るので、直線3は次の式で示される。
y=tanθ×x−0.5 (3)
いま直線1と直線2が交わる点をP2 とすれば、(1)式と(2)式から
x2 =0.5+y1 +x1 ×tan2θ/tanθ+tan2θ (4)
y2 =0.5−tanθ×x2 (5)
ここで、θはx方向に100mm移動すると0.25mm移動するので、勾配は0.25/100からθ=tan-1(0.25/100)=0.143239度である。
P1 座標のx1 =1mmからy1 =0.49750mmになる。
同様に(4)式と(5)式から
x2 =133.66mm、y2 =0.1659mmになる。
直線1がx軸をきる点をP3 (x3 ,y3 )とすると、
x3 =100.5mmになる。ただしy3 =0mmである。
このようにX線ターゲット管401の左端1mmのところで放射するX線は出口開口付近でX線ターゲット管401の中心線を横切ることになり、1回の反射もない。このことはX線ビームが細いことを示す。
【0013】
実際は電子ビームは広がりをもつ放射角度を有する。図5は、X線ターゲット組立に発散性の電子が入射した場合のX線の軌跡を説明するための図である。
電子ビームの中心軸が管軸に平行であるが発散性の電子505が、入口開口502からX線ターゲット管501に入射してX線506を発生させる。
X線506は反射を繰り返し、出口開口503から放出される。放出されたX線は窓510を介して射出される。窓510はX線に対して透明であるが、付着した荷電粒子、電子等を逃がすような回路接続がなされている。
X線ターゲット組立500は、真空を保持する真空容器511の中に、X線ターゲット管501とカバー管504から構成され、大部分は離れているが一部でそれぞれ熱的に接続されている。X線ターゲット管501には孔507、カバー管504には孔508が設けられている。電子線の衝突により発生したガス等を逃がすようにしてある。電子線の衝突による発熱を放熱板509を通して、外部に散逸させるようにしてある。外部には強制空冷または水冷の装置が設置されている。
【0014】
X線ターゲット管601の内壁を多層膜で形成する実施例を図6に示す。
電子線605がX線ターゲット管601の内壁に小さい接線入射角で入射して、その結果発生したX線606が入射角度(π/2−θ)で入射すると、第1層607の上面において反射角(π/2−θ)でX線606−1が反射される。反射しなかったX線の一部は第1層607の下面と第2層608の上面の境界面で反射する。この反射X線は第1層607を透過し、再びX線ターゲット管601の内壁から出るX線606−2もある。
また一部は第2層608の下面と第3層609の上部の境界面で反射し、第2層608を透過し、続いて第1層607を透過し、再びX線ターゲット管601の内壁から出るX線606−3もある。
ここで、多層膜の材質すなわち各層の屈折率を適切に選択すれば、効率よく反射X線606−1、606−2、606−3を外部に取り出すことができる。
【0015】
以下の多層反射方法について説明する。一般にX線に対する物質の屈折率は1よりわずかに小さく、n=1−δ−iβで表す。例えば、第2層608の屈折率がn=1−δ−iβとすれば、δとβは次式で表される。
ここで、γ0 は古典的電子の半径、Ζi は金属のi番目の原子の原子量、f”i はi番目の原子の異常分散の虚数部、ρは密度、Xi は金属のi番目の原子の構成率、f’i はi番目の原子の異常分散の実数部、NA はアボガドロ定数である。
このように、原子の原子量Ζi 、密度ρ選択し、δやβの値を変えて、X線の反射角度を選択できる。それぞれの層のδやβが定まるので、各層の屈折率が求まる。この屈折率の適切な選択で、効率良く収束するX線が発生できる。
【0016】
一般に、制動放射するX線を発生するには、電子のエネルギーは10Mev,パルス幅は3μsec、繰り返しパルス数は300pps、電子電流は50mAのオーダーになる。ターゲットは0.76mm×0.76mm×0.15mmの体積のタングステンを用いる。この体積に対して約500Wの平均電力が加わるので、熱の放散するために、銅の基板上に設置して、銅基板を水冷している。このようにX線ターゲットに強力な熱が加わるので、融点の高い材料や、高温に対する耐久性のある金属を選択し、これらを組み合わせて使用する。
【0017】
以上X線ターゲット管が円錐台形状である場合を例にして説明したが、平板状のローブを有するX線を用いるときは、ターゲット管である必要はなく2枚の平板を用いてX線ターゲットを形成することができる。この場合において、電子ビームとX線のターゲット内における振る舞いは、図2〜図5の説明を利用して説明できる。そしてX線発生装置は、真空容器と、前記容器内に配置され電子ビームを発生する電子源と、および前記容器内に配置され対向する2面を有し、対向面が一方側から入射した前記電子ビームに衝突されX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射しまたは直接出口開口から放射するX線ターゲットから構成することができる。
【0018】
次に本発明によるX線ビーム発生装置のX線治療への応用について説明する。従来のCTとX線発生装置を組み合わせた治療装置の略図を図8に示す。CT用X線発生源802から放射し、CT検出用センサアレイ803で受けて、検出する。この3次元画像データを計算機で算出し、癌の立体的位置と立体的形状を計測する。
【0019】
本発明によるX線発生装置は、対陰極構造を独特の形状にして、絞り込まれたX線すなわち放射角度の極めて小さいX線を発生することができるから、次の構成のX線治療装置を提供できる。
すなわち、X線発生装置を複数本準備し、それぞれの発生Xビームの中心軸が交差するように配置して交差点に患部を位置させるようにしX線エネルギーの集中を図ることができる。
X線発生装置を多数本配置して、選択的に使用することにより、患部の形状に対応する放射線の集中治療を行うことができる。
【0020】
本発明によるX線治療装置も第8図に示した従来装置のように患部のデータを取得して、このデータを基に、どの方向からどのくらいのX線を照射するかを決定する。応用の一例を図7に示す。
本発明のX線ビーム発生器は細いビームを放射する。このX線ターゲット管を複数個一定の角度で配置したビームX線発生源アレイ701が、6軸関節を持つ多軸ロボットアーム704に設けられ移動させられる。
前記X線ターゲット管はそれぞれの発生Xビームの中心軸が交差するように配置され交差点に患部を位置させるようにしている。
治療すべき癌の部分に対して回転するCT用X線発生源702から放射し、CT検出用センサアレイ703で受けて、検出する。この3次元画像データを計算機で算出し、癌の立体的位置と立体的形状を計測する。
このデータを基に、どの方向からどのくらいのX線を照射するかは、CTの3次元画像データを基にコンピュータが計算し決定する。
ビームX線発生源アレイを多軸ロボットアームにより3次元的に移動、回転させて、多方面から照射する。この方法により、癌にはX線を集中させて、癌治療を行う。同時に正常組織へX線照射量を減少し、正常組織の細胞のダメージを極力避けることができる。
【0021】
図7に示したX線治療装置は複数のX線発生装置701a〜701nを準備し、それぞれの発生Xビームの中心軸が交差するように配置して交差点に患部を位置させるようにしたものである。このようにして患部のドースレートを大きくしている。前記多数本準備されたX線発生装置を選択的に使用することにより、照射位置でX線の形状を対象に応じて変えることができる。
前述した真空容器内に、複数本のX線ターゲットを設け、電子ビームを走査してX線ターゲットを選択的に使用するように構成することができる。
【0022】
【発明の効果】
以上、詳しく説明したように本発明によるX線発生装置は小形で平行度の高い小径のX線ビームを発生することができる。
本発明による前記装置を用いたX線治療装置は、放射線治療において、不整形の腫瘍形状に対して、その形状に沿った線量分布を3次元的に作り出す照射方法である強度変調放射線治療IMRT(Intensity Modulated Radiation Therapy)の照射領域をさらに正確に照射できる。この場合において従来のような余分なX線を遮断して形状を整える必要はなく、つまりX線の損失なしで正確な治療が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるX線発生装置の構成を示す略図である。
【図2】X線ターゲット管の動作原理を説明するための略図である。
【図3】X線ターゲット組立の実施例における電子の軌道と発生したX線の軌跡を説明するための説明図である。
【図4】X線ターゲット管の実施例における電子(平行入射)の軌道と発生したX線の軌跡を説明するための図である。
【図5】X線ターゲット組立に発散性の電子が入射した場合のX線の軌跡を説明するための図である。
【図6】X線ターゲット組立におけるX線の反射の状態を示す図である。
【図7】本願X線装置を用いた治療装置を説明するための略図である。
【図8】従来のCTとX線発生装置を組み合わせた治療装置を説明するための略図である。
【符号の説明】
VC 真空容器
Es 電子源
XT X線ターゲット管
300 X線ターゲット組立
301 X線ターゲット管
302 入口開口
303 出口開口
304 カバー管
305 電子
306 X線
500 X線ターゲット組立
501 X線ターゲット管
502 入口開口
503 出口開口
504 カバー管
505 電子
506 X線
507 ターゲット管の孔
508 カバー管の孔
509 放熱板
510 窓
511 真空容器
601 X線ターゲット管
602 入口開口
603 出口開口
605 電子線
606 X線
607 X線ターゲット管の第1層
608 X線ターゲット管の第2層
609 X線ターゲット管の第3層
701 X線発生源アレイ
702 CT用X線発生源
703 CT検出用センサアレイ
802 CT用X線発生源
803 CT検出用センサアレイ
Claims (12)
- 真空容器と、
前記容器内に配置され高エネルギー電子ビームパルス列を発生する電子源と、および
前記容器内に配置され、入口開口と前記開口より小さい径の出口開口を有する円錐台状であり、入口開口から内壁面に衝突した電子ビームによりX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接前記出口開口から放出するX線ターゲット管とから構成した制動放射X線を発生するX線発生装置。 - 前記X線ターゲット管の材料は原子量が大きく、さらに高融点、化学的に安定性、または熱放射性に優れた金属であるAu,W,Mo,Pt,Re,から選ばれた1以上の材料である請求項1記載のX線発生装置。
- 前記電子ビームは、中心よりは外周の密度が高いリング状の電子ビームであり、ビームの外径は前記ターゲット管入口開口よりわずかに小さく殆どの電子が前記ターゲット管の内壁面に衝突するように構成されている請求項1記載のX線発生装置。
- 前記高エネルギー電子ビームは10MeV、パルス幅は3μsec、繰り返しパルス数は300pps程度である請求項1記載のX線発生装置。
- 真空容器と、
前記容器内に配置された電子源と、および
前記容器内に配置され、入口開口と前記開口より小さい径の出口開口を有する円錐台状であり、入口開口から内壁面に衝突した電子ビームによりX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接前記出口開口から放出するX線ターゲット管とから構成したX線発生装置において、
前記X線ターゲット管は薄い金属材料で構成され、外周に同様な斜面をもつカバー管を設け、前記X線ターゲット管と前記カバー管により、X線ターゲット組立として構成したX線発生装置。 - 前記X線ターゲット組立の前記X線ターゲット管と前記カバー管は熱的に連結されており、カバー管の表面には冷却フィンが連結され真空容器外に放熱する請求項5記載のX線発生装置。
- 前記X線ターゲット組立の前記X線ターゲット管と前記カバー管には、多数の開口が設けられており、前記X線ターゲット管の内部で発生したガスを放出するように構成したガス放出作用をもつものである請求項5記載のX線発生装置。
- 前記カバー管は複数の管から構成されている請求項5記載のX線発生装置。
- 真空容器と、
前記容器内に配置され電子ビームを発生する電子源と、
前記容器内に配置され対向する2面を有し、対向面が一方側から入射した前記電子ビームに衝突されX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接出口開口から放射するX線ターゲットを含むX線発生装置において、
前記電子源は高エネルギー電子ビームパルス列を発生する電子源とし、平板ローブのX線を発生するように構成したX線発生装置。 - 真空容器と、
前記容器内に配置され電子ビームを発生する電子源と、
前記容器内に配置され対向する2面を有し、対向面が一方側から入射した前記電子ビームに衝突されX線を発生し、前記X線が他方の面に入射して全反射し、または直接出口開口から放射するX線ターゲットを含むX線発生装置において、
前記X線ターゲットの対向する2面と同様な斜面をもつ対向面を有し、前記X線ターゲットをカバーするカバーターゲット板を設け、平板ローブのX線を発生するように構成したX線発生装置。 - 電子ビームを発生する電子源と、
各内壁面に前記電子ビームが衝突することによりX線を発生する複数のX線ターゲット管と、
前記複数のX線ターゲット管の中心軸が交差するように配置して形成したX線発生源アレイと、
前記X線発生源アレイのターゲット管の中心軸の交差点に患部を位置させる手段と、
から構成したX線治療装置。 - 電子ビームを発生する電子源と、
各内壁面に前記電子ビームが衝突することによりX線を発生する複数のX線ターゲット管と、
前記複数のX線ターゲット管に前記電子源からの電子ビームを走査して前記X線ターゲットに選択的に供給する走査手段と、
から構成したX線治療装置。
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