JP4272157B2 - 陽子療法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による陽子療法により患者を治療する装置、並びにその装置の用途に関する。

陽子照射療法は特に腫瘍に照射する際に有利であるが、コストが高いのと設置に多大なスペースが必要なので、依然として極めて限られた範囲でのみ普及しているにすぎない。

陽子療法は、今日、ガントリと呼ばれる回転可能なビーム案内機構を使用して適用されるのが好ましい。

ビーム案内機構は回転フレーム上に取付けられており、かつ従って患者テーブルの周囲を回転することができる。この構成により、ビームは幾つかの照射方向から、横たわっている（患者テーブル上のムラージュ内に固定された）患者に逐次当てることができる。

深い位置にある腫瘍を陽子で治療するために、必要な陽子照射エネルギーは７０〜２５０Ｍｅｖである。ビームの剛性率が高いので、ビーム案内機構には、広いスペース（通常の磁石を使用して、ビームに適用できる最小偏向半径は少なくとも１．３ｍである）が必要であり、かつビーム案内機構は相応して重い。陽子療法用のガントリは一般的に長さが１０ｍで、４〜１２ｍの直径を有しており、重量は１００トンある。

近年のガントリ設備により、患者テーブルは（ガントリの軸方向の回転に対して付加的に）水平平面内の垂直軸線を中心にして回転できることが期待されている。この目的ために、実際に、横たわっている患者への照射方向は全て設備から選択できる（理想的には４πの立体角）。従って、患者テーブルとガントリの回転とは、機能的には同等に理由付けされている。この作業の新しい構想は、ガントリの回転を＋／−９０°までに制限し、それと引替えに（世界地図の地理的経緯度区分のように）患者テーブルを３６０°全回転可能に利用することである。歴史的な理由から、このような割り当ては従来のシステム全ての場合において逆にされて、すなわちガントリの回転が３６０°に、患者テーブルの回転が最大１８０°だけにされて実施されてきた。

今日普及しているシステムは、ガントリが縦方向のビーム軸線を中心に３６０°完全に回転可能であるという構想に基づいている。このような従来システムの原理を、この後概略的にかつ図１に関して詳細に記載する。

パウル・シェラー・インスティチュート（Paul Scherrer Institut）はすでに陽子療法の開発に関して貢献してきている。ＰＳＩのガントリ１は、カリフォルニアのロマリンダのガントリ以降二番目に古い陽子ガントリである。ＰＳＩのガントリは１９９６年以来運転状態にあり、かつ動的ビーム走査を採用するいまだ唯一のガントリである。依然としてこのガントリは、最小直径（４ｍ）を有するガントリである。ＰＳＩシステムから導かれる幾つかの特徴は、産業的特許に関する変更された形ですでに使用されてきた。このようなシステムは例えば二つの特許文献１及び２に記載されている。

現在のシステムを使用した経験から、照射の各段階における患者テーブルへのアクセスの良さがいかに重要であるかがわかった。

２０００年（優先年１９９９）のこのテーマに関する特許文献３には、陽子療法を実施する装置が記載されていて、この場合、陽子ビーム案内及び陽子制御装置が単に最大２７０°の角度だけ回転可能であるかあるいは回転可能に形成されており、従って必要であるように、患者テーブルへの良好なアクセスが照射の各段階で保証される。特許文献３の詳細な説明にはないが、ただ以下に図２に関して、特許文献３に似た陽子照射装置を図を用いて詳細に説明する。
欧州特許出願公開第０９１１９６４号明細書 欧州特許出願公開第０８６４３３７号明細書 国際特許出願公開第０１／００２７６号明細書

特許文献３による装置において、患者テーブルに対するアクセスに関する要求が満たされるにもかかわらず、ガントリの寸法縮小及び簡素化に関する要求は依然として存在している。従って本発明の課題は、一方において患者テーブルに対する連続的なアクセスを機能性を損なう事無く保証し、また他方においては陽子療法の実施の際のさらなる簡素化及び精度の向上、並びに特にガントリの構成部材、あるいはガントリそれ自体の寸法のさらなる縮小を可能にする、陽子療法を実施するための別の装置を提供することである。

この課題は本発明に従い、第一に請求項１に記載した装置を用いることにより解決される。

本発明によれば、陽子ビーム案内兼制御装置−以下ガントリと呼ぶ−は、ビーム案内の方向で、患者テーブルの後方で接続されており、かつ水平軸線を中心にして、回転可能あるいは旋回可能に支持されて支承されている。この場合、本質的な特徴は、患者テーブルあるいは患者の看護人が一方の側からいつでもアクセス可能であることである。

好ましい実施形態の変形によれば、本発明による装置すなわちガントリは、小さいローラーを経由して、その最も前方の位置で旋回可能に支承されている。この場合、ガントリは特許文献３の実施形態に対応して、ほぼ旋回軸線を通って延びる水平平面から、各々少なくとも１３５°だけ、上方及び下方へと、旋回可能かあるいは回転可能に設けられている。全体で２７０°の言及されている角度が、各々ガントリの実施形態に依存して、小さく選択されるのも自明であるが、水平平面から±９０°未満ではなく、すなわち全体で１８０°でなければならない。

本発明による提案された装置の長所は、ケーブル布線の少なくとも一部がガントリの正面側から接続でき、それにより測定信号と監視センサーのためのケーブル案内を磁気供給部から整然とかつ場所的に分離することができる。このことによって、場合によっては起こりうる信号間の干渉は無くなり、さらにそれにより、感度の良い測定装置は磁気供給部によって妨害されないので、陽子ビーム案内の精度を高めることができる。

他の実施形態の変形によれば、陽子ビーム案内兼制御ユニットすなわちガントリの、例えば９０°磁石のような重量部分は、陽子ビームのノズルだけが患者に見えるように遮蔽
される。“ノズル（突出部）”は、患者の直前のガントリのビーム射出口における、ハウジングとそれに収容されている照射装置を示す。そこには例えばビームを監視するための測定システム（ビームの位置と強度とを測定）、帯域変調器（Reichweitenmodulator）、患者の位置決め用レーザー及びＴＶカメラ及びビーム調節機構等がある。この部分は患者に見える。その一方で、例えば重量が約２０ｔあり、高さが２ｍで幅が１ｍあるいはそれ以上の延長部を有する９０°磁石を備えた中実部分は、本装置にあっては、他の実施形態の変形により、照射室が例えば大きい部屋内の、半開きの空域として形成されていることにより上手に遮蔽される。この場合アクセス可能な側にだけ側壁は無い。

本発明による提案された装置の主要な長所は以下の通りである。
−照射室の構成が簡素であること。
−可動な補助的床を形成するためのコスト及び複雑さが無いこと。
−患者テーブルは常時アクセス可能であること。
−ガントリの細かな位置決めが可能であるかあるいは患者テーブル下方のピットがあまり深くなく形成されていること。
−簡素でかつ安価なシステムであること。
−信頼性及び精度が高いこと。
−正面ローラーを取付けることで、設備あるいは回転装置の直径が小さいこと。
−新しい装置は特許文献３に記載されているようなセントリックシステム（ガントリ）だけでなく、現在のパウル・シェラー・インスティチュート（ＰＳＩ）の設備（ガントリ）のようなエキセントリックシステム（ガントリ）にも適していること。

本発明による装置の他の実施形態の変形は、従属請求項において特徴をなしている。

本発明による装置は、特に陽子療法により患者を治療するのに適しており、この場合患者テーブル上で横たわっている人間は、患者テーブルと陽子ビーム案内機構（ガントリ）とを動かすことにより、陽子ビームが患者の体内の治療すべき箇所を全ての所望の方向から照射可能であり、それと共に患者テーブルがいつでも一方の側からアクセス可能になっているように位置決めされている。

本発明を引き続き例を挙げて、かつ添付の図に関して詳しく説明する。

本発明を適確に理解するために、陽子ビーム装置あるいはガントリが、縦方向のビーム軸線を中心にして、３６０°完全に回転できるという概念に基づいた、現在普及しているシステムを、差当り図１ａと１ｂに基づいて概略的に説明する。

患者１０は円筒形の部屋、すなわち照射室２内で治療される。ビーム案内機構３は照射室の外側で案内される。最終部分、すなわち照射量の空間的分配を制御するための測定装置を備えたいわゆるノズル４は、照射室内へ突出している（患者はノズルのできるだけ近くに置くことができるものでなければならない）。

装置全体は、ビーム案内部のカウンタウェイト６を含めて、回転フレーム５によって担持される。アイテム１６はホイール１６の位置を示し、その上でガントリは二つのローラーを介して回転する。後方のローラー１７は約１ｍの半径でもって比較的小さく維持することができる。前方のローラーは照射室それ自体である。アイテム１８はガントリのケーブルが接続されるケーブルドラムを示す。

患者テーブル７は患者を機械のアイソセンター８内で位置決めするために使用される（アイソセンター＝ガントリが回転している間のビーム衝突点）。照射室とノズルはガントリと一緒に回転するので、患者テーブルは照射室の前で直接固定されている。その上で患者が横たわっているテーブルトップは、外側から照射室内に突出している。

患者テーブルを水平平面内で腫瘍の周りに方向転換させるという医学的な必要性は、（図１ａによるＡ−Ａ軸線を中心にした−機械のアイソセンター内で）円筒形の照射室の内径１１が少なくとも２ｍ（人体の長さ）なければならないことを前提とする。頭部照射の際の回転運動とそのために必要な所用床面積を明確にするために、図１の患者１０は、正面図および側面図において、各々の場合観測地点に対して垂直に描かれている。

従ってさらに照射室の床上の患者テーブル７の高さは、約２ｍで固定されている。付加的な装置が無いと、照射位置において患者１２に対する職員１２のアクセスは不十分である。照射室内部における平坦な仮の床１３の必要性は、この種の補助的床がある看護人１５の位置、およびこの種の補助的床がない看護人１４の位置を示す図１の正面図にて明らかにされる。

円筒形の照射室内部における平坦な床１３の構造は、様々な理由からかなり複雑である。

後方からビームが当てられると、人口の床は開き、かつノズル（ノズル用のカバーの可動部１３ａ）の回転に同調する。さらに床の残りの部分、すなわち後方部分１３ｃと前方部分１３ｂは、照射室内に直接固定できない。なぜなら照射室はガントリと一緒に回転するが、床は水平状態でなければならないからである。

床の前方部分１３ｂは、照射室の外側から支持することができる。しかし大きな問題は照射室の後方部分、すなわちノズルの運動により“切り取られる”部分１３ｃ内に存在する。この問題はここにおいてはＰＳＩのガントリ１内の患者テーブルを設置するために使用される原理に従って，照射室の後方部分のガントリを回転させるために内蔵された反転機構１９を用いて解決することができる。

この（反転の）構想は、人工の床を支持するために後から採用されたものである。今日存在する市販の設備は全て、円筒形の照射室内に床が全く無いかあるいは上述の原理（反転による後方支持、固定された前方支持）に従って構成されている床を備えているかのどちらかである。

円筒形の照射室内部の可動な床は実現可能であるが、はっきり言って安くもなく、簡単でもない。

ＰＳＩの特許文献１の目的は、患者テーブルに対する良好なアクセスを、機能性において損なう事無く保証し、しかも反転無しで床１３ｂおよび１３ｃと固定されるように設置される良好な解決策を提供することである。

図２ａおよび２ｂは、縦方向に切断された、およびＢ−Ｂ線に沿って切断された特許文献３で提案されたガントリの装置を概略的に示す。図２ａおよび２ｂにおいては、図１ａ及び１ｂに対応する同じ部品の符号に、同じ関連符号を使用することに留意しなければならない。

図２ａおよび２ｂにおいて説明した陽子ビーム装置すなわちガントリと、図１ａおよび１ｂに示した対応する装置との相違は、主としてガントリの回転が、ガントリのただ一方の側における垂直面内で±９０°（＋１８０°，−１２０）に制限されている点にある。このことは特に図２ｂによる図示から明らかである。調節可能ではないガントリの角度は、鏡面対象に選択され、かつ水平面内において１８０°だけ患者テーブルの回転を用いて達せられる。水平面内において患者テーブルの回転が十分使用可能であれば、その原理から照射の選択面での制約は少なくとも理論的には全く見込まれない。従って、ビーム案内部の相対する側で得られたスペースは、ピットの孔内において、患者テーブル７および固定した床１３を不動に取付けるために使用することができる。同様に、図２ａ及び２ｂから、患者テーブルへのアクセスは、図１ａ及び１ｂによる装置の場合に比べて基本的に簡単かつ良好に保証されることがはっきりとわかる。

しかしながら、特に図２ａからもはっきりわかるように、この装置は大きな回転円盤２０を使用するので極めて大きく、かつかなりのスペースが必要である。約７ｍの大きさの回転円盤は組立および輸送が困難である。１ｍｍ以内に抑えるべき要求されるアイソセンターの精度は、相応して実現するのが難しい。さらに、図２のホイール１６が大きいローラー２０の下に位置しており、従ってピットが図１ａ及び１ｂに示したピットよりも深く形成されていることに留意しなければならない。

この装置をさらに簡素化するために、図３ａ及び３ｂに概略的に示した本発明による装置を選択した。新しく開発されたガントリの基本アイデアは、まず照射室の後方において小さいローラー２１を用いて照射ユニットすなわちガントリを支持するである。これにより図２に示した、対応して大きな直径の回転円盤の必要性はなくなる。図２ａ及び２ｂによる装置のその他の特徴は、新しい考えにおいて基本的に維持される。図３ａは縦方向に切断した本発明の装置を概略的に示し、図３ｂはＣ−Ｃ線に沿った横断面図を示す。この場合、照射案内部３が図２ａ及び２ｂによる装置に似て、側面で制限されるようにして回転可能であることがはっきりわかる。また照射室２はガントリの一方の側からアクセス可能である。照射室２は例えば縦が約４．５ｍ、側面からの深さが約４ｍ、そして高さが約２．２〜２．５ｍの部屋の広さの半分開放された空域であることが好ましい。患者にとっては、陽子ビーム射出窓すなわちノズルだけが見えるにすぎず、例えば９０°磁石のようなガントリの堅牢な部分は隠されている。床はノズルを案内するためのスリット（幅約５０ｃｍ）を除き、図２ａ及び２ｂと同じようにして、領域１３ｃ及び１３ｂ内で強固に取付けられている。この領域は例えば両側で案内されるローラーカバーを使用して覆われている（１３ａ）。すでに上述したように、本発明による装置の明らかな長所は以下の特徴にある。

−おそらくこの発明の最大の長所は、その最前部の位置における小さいローラーと、それに伴って行われる回転を介してガントリを支承することにより、図２の大きいローラー２０の製造コストを削除することである。

−さらに、この解決策の長所は、ほぼ唯一しっかり固定した床を備えた患者テーブルへのアクセスが依然として良好であることにある。

−患者テーブルの周囲の空域は広く、かつ好都合に形成でき、この場合患者テーブルの作動範囲内で、しっかり固定した床上に、例えば麻酔用テーブル、Ｘ線断層写真撮影装置（ＣＴ）、陽電子放射断層撮影装置（ＰＥＴ）等のような他の装置を取付けることも可能である。

−少なくともケーブルの部材は、ガントリの前側で接続している。これにより、測定信号あるいは磁力供給の監視センサーのための、ケーブル引き回しを整然とかつ局部的に分離することができる。

−本装置により、アクセスのラビリンス（Zugangslabyrinth）の省スペース構成あるいはシールド構造が可能になる。

−照射室の壁におけるシールド部は、壁がガントリと反対側になっているどこであろうと削減できる。

新しい構想の他の長所は、この構想が図２ａ及び２ｂに示したような中心に設けられた（zentisch）なコンパクトシステムと同時に、例えば図５に示したような中心からずれて設けられた（exzentrisch）コンパクトシステムにも使用可能であることにある。しかしながら、中心からずれてために照射室は、ガントリにおいては、例えばカウンタウェイトの意味で吊り下げられねばならず、かつ反転させることにより水平に保たれねばならない。

さらに構想からして、新しい解決策は、一般的に図２ａ及び２ｂによる解決策に比べてより適応性がある。後者がコンパクトなガントリに対してのみ可能であるのに対して、新しいシステムは、コンパクトで中心からずれて設けられたガントリ及び“ロングスローガントリ”のどちらにも使用でき、同様にして走査技術あるいは散乱技術を使用したビーム応用分野にも使用することができる。多様性が大きいことは、特に顧客本位の解決策が提案された場合、民生使用には魅力的である。

図４及び５に関しては、斜視図を使用して、コンパクトなセントリックなシステム、さらにはコンパクトな中心からずれて設けられたシステムにおける本発明による装置の使用状況を示す。

図４は軸線１を中心にして二つのローラー１７及び２１の周囲で回転可能に支承された中心に設けられたガントリを示す。この場合照射は（患者から見て）上方右から行われる。

従って、この装置は中心的配設であると呼ばれている。なぜならガントリが堅くあるいは不動に設けられた照射室２の周囲で回転可能であり、それにより室床１３が不動に設けられているからである。

それに対して、図５による装置においては、照射室は回転軸線１を中心にして円運動で離心的に旋回可能であり、それによりさらに患者テーブル１０が各々照射位置に応じて対応する運動を行うのは自明である。この場合照射は上方左から行われる。看護人１２にとって照射室床１３のアクセスがいつでも確実なものになるために、可動な、例えば階段状のアクセス手段２７が必要である。例えば、照射が水平方向で行われた場合，照射室床１３は周囲と同じ高さレベルであるので、階段２７の必要性は無くなる。しかしながら、照射が下方から行われた場合、対応して照射室床１３は上方へ持ち上がられ、かつ周囲の水平面の高さレベルより上に位置している。

図６ａ及び６ｂに、本発明によるガントリ装置あるいはガントリ設備の別の実施形態の変形を示す。ガントリの後部の支承部が、終端部に設けられておらず、内部空域すなわち照射室２の方へ向けられている点で、図６ａ及び６ｂに示した設備は、図３ａ及び３ｂに示した設備と異なる。その他の点で、図６のガントリは、図６ｂに示したＣ−Ｃ線に沿った断面図のように、図３ａのガントリに一致している。これに対して、図６ｃはＤ−Ｄ線に沿った断面図、すなわちガントリの後部の支承部を示す。この場合、後部のホイール１６は側方で、例えばＵ字形のフレーム３１を介して後部の照射室隔壁３０に支持されている。すなわちこの支持は図３ａに示したように、照射室床９上で行われない。これに対応して、ケーブルドラム１８をガントリの中央領域内に組込むことが可能である。図６ａおよび６ｃに示したように、ガントリを支承することにより、構造体は短くなり、かつ後部及び前部ローラー１６間の短い間隔により構造体の良好な安定性が達せられる。すなわち、撓みの危険はより少ない。図３ａ及び３ｂに関して記載したような他の長所は、図６ａ及び６ｃによる配設において当然維持されている。

図１〜６において図示したものは、当然のことながら、本発明をさらに詳細に説明するために使用された例にすぎない。

本発明に従って示した陽子照射装置を任意の様式で変更したり、修正したり、あるいは他の要素を使用して補充することは可能である。特定の言及が特許文献３に対して指摘されており、その内容は本発明の必要不可欠な構成部分であり、その特殊な実施形態の変形は、同様に本発明により定義された特徴と組み合わせることにより、本発明の必要不可欠な構成部分である。

従来機構を備えた普及している小型の陽子ガントリの概略側面図である。 従来機構を備えた普及している小型の陽子ガントリのＡ−Ａ線に沿った概略横断面図である。 特許文献に相当する小型の陽子ガントリの概略縦方向側面図である。 特許文献に相当する小型の陽子ガントリのＢ−Ｂ線に沿った概略横断面図である。 本発明による正面で支持された陽子ガントリ装置の概略縦方向側面図である。 本発明による正面で支持された陽子ガントリ装置のＣ−Ｃ線に沿った概略断面図である。 本発明による中心に設けられたガントリの側面斜視図である。 本発明による中心からずれて設けられたガントリの側面斜視図である。 本発明による陽子ガントリ装置の他の変形実施形態の縦方向側面図である。 本発明による陽子ガントリ装置の他の変形実施形態のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 本発明による陽子ガントリ装置の他の変形実施形態のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

符号の説明

１ 水平軸線
２ 照射室
３ 陽子ビーム案内機構
４ 射出窓
５ 陽子ビーム案内兼制御装置
６ 陽子ビーム案内兼制御装置
７ 患者テーブル
２１ ローラー
２２ ケーブル布線部

Claims (9)

1. 陽子療法により患者を治療するための装置であって、
   −磁石と、４重極と、射出窓とを有する陽子ビーム案内機構を備えており、この陽子ビーム案内機構が、治療すべき患者の箇所に、陽子ビーム源から陽子ビームを案内あるいは配向するために配置されており、
   −照射室床（１３）を有する照射室を備えており、
   −照射室内部に患者テーブルを備えており、この患者テーブルが、ほぼ水平平面に配置されており、かつ射出窓を経由して、照射室に入光する陽子ビームに対して所望の位置内に患者を移動させるように制御可能であり、そして
   −陽子ビーム案内兼制御装置を備えており、この陽子ビーム案内兼制御装置が第一支持部と第二支持部に取付けられていて、水平軸線を中心にして回転し、
   その際、照射室が第一支持部と第二支持部の間に位置していること、
   照射室床が反転せずに固定された様式で取付けられていること、そして
   水平軸線が、患者テーブルが配置されているほぼ水平平面内で延びていることを特徴とする陽子療法により患者を治療するための装置。
2. 第一支持部が陽子ビーム源に対して近接して設けられていること、
   第二支持部が陽子ビーム源に対して末端に設けられていること、そして
   第二支持部がローラーを備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 陽子ビーム案内兼制御装置が水平平面から１３５°だけ上方及び下方へと回転するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 陽子ビーム案内兼制御装置が、ほぼ回転軸線を通って延びている垂直平面から、患者テーブルが設けられている垂直平面の一方の側へ約９０°の角度だけ、および垂直平面の側から相対する側に約１８０°の角度だけ、回転軸線を中心にして、回転可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 照射室（２）が、少なくとも一つの半開きの空域を有しており、この空域が患者テーブルがアクセス可能な側から離れた、少なくとも一つの側壁を備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. ビーム案内機構の磁石すなわち最後の磁石が、照射室からは見えないように、照射室が設けられており、従って患者には照射室内壁にスリットを設けることにより、照射室内壁のスリット開口部に沿って運動するノズルだけが見えること、および
   両側で案内されるカバーがスリットに設けられており、このカバーがブラインドであることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 患者テーブルが、陽子ビーム案内兼制御装置の回転と結合した場合に、患者の体の任意の箇所に照射可能であるように、回転運動可能かつ並進運動可能に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 患者テーブルを動かすための機構が、陽子ビームの領域内には設けられていないことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. さらに、患者の状態を監視するための、少なくとも一つの測定信号およびセンサーのためのケーブル布線部を備えており、このケーブル布線部の少なくとも一部が、磁気供給部から局部的に分離が可能になるように、第一支持部のローラーの領域を貫通して、
   正面側から案内あるいは接続されていることを特徴とする請求項１記載の装置。

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