JP4418888B1 - X線治療装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によるX線治療装置は、マーカセンサ3,4により、患部に対して既知の位置関係を保って患者に固定されるマーカのカウチ2に対する位置を検出し患部位置データを得る。カウチ操作ロボット6は、カウチ2の位置・姿勢を変更させることができる。治療用X線源(治療用X線発生装置1)は、X線治療ビームの形状、強度を制御可能であり、操作ロボット5は治療用X線発生装置1を支持して患部に向けて、治療用X線発生装置1の位置・姿勢を制御する。中央処理装置(CPU)8は、治療計画データに基づいて、マーカセンサ3,4の出力により特定された患部に対して必要なX線治療ビームの強さと方向と時間を演算して治療用X線発生装置1と操作ロボット5,6(線源,カウチ)に制御信号を送り動作させる。
【選択図】図1B
Description
さらに詳しく言えば、本発明は、MMRT(Microbeam Modulated Radiation Therapy)という新しい技術により微細なX線ビームの発生を可能にして、迅速で精密なX線治療を可能にするX線治療装置に関する。
特許文献1記載の放射線治療装置は、治療用X線を照射する放射線発生装置と、検査用X線を出射する2つの放射線源と、2つの検出器と、画像形成装置と、解析装置とを備えている。検査対象部の3次元画像から追尾対象部位の3次元位置および3次元形状を求め、これに合わせて出射口可変式コリメータの出射口の形状を制御装置によって変化させて、治療対象部位に応じて治療用放射線の照射野を追尾させるように構成されている。
この装置は出射口可変式コリメータの出射口の形状を変化させることによって、治療対象部位の移動に追従させるため、コリメータの形状設定が完了するまで放射線の照射は行えない。照射野に対する形状的精度は、コリメータの形状設定精度に依存し、高速性と高分解能は相反して同時にこれらを満足させられないという問題がある。
しかしながら、連続照射の速度は、腫瘍マーカの位置認識とコリメータの設定時間で制約を受けるので、一層の高速化は難しい。また、腫瘍の縁端部に対する照射の場合、コリメータを使用しているため、微小な照射は難しく、健全細胞へのダメージは残る。
しかしながら、特許文献3で検討したように連続照射の速度は、腫瘍マーカの位置認識とコリメータの設定時間で制約を受けるので、一層の高速化は難しい。また、腫瘍の縁端部に対する照射の場合、コリメータを使用しているため、微小な照射は難しく、健全細胞へのダメージは残る。
しかしながら、連続照射の速度は、腫瘍マーカの位置認識とコリメータの設定時間で制約を受けるので、一層の高速化は難しい。
また、腫瘍の縁端部に対する照射の場合、コリメータを使用しているため、微小な照射は難しく、健全細胞へのダメージは残るという問題がある。
・連続照射ができないため、治療に時間がかかり、患者の精神的・肉体的負担が大きくなる。
・X線治療の結果に対する検証(Verification)の精度が低い上に操作が煩雑であった。
・X線ビームの直径を小さくすることができないから患部周辺の健全細胞を損傷することなく、腫瘍等を完全に除去することは困難である。
・ガントリを用いるものが殆どでX線の照射方向に制限があり、任意の方向から最適な角度での照射が制限されている。
本発明の目的は、患者の治療対象部位の動きにリアルタイムに追従することができ、しかも高出力で細いX線(Microbeam)を用い、患部の健全な細胞へ悪影響を及ぼすことなく、患部の外形(治療対象腫瘍の形状)に沿って高速、高精度にX線治療を行うことができるX線治療装置を提供することにある。
カウチに仰臥した患者に、異なる位置からのX線ビームを患部で交差または患部に通過させて一回以上のX線照射治療をするX線治療装置であって、
患部に対して既知の位置関係を保って患者に固定されるマーカのカウチに対する位置を検出し患部のデータを得る低エネルギーX線発生装置と対応する画像センサよりなるマーカセンサと、
カウチの位置・姿勢を変更させるカウチ操作手段と、
X線治療ビームの形状、線量を電子ビーム偏向により制御する治療用X線源と、
前記治療用X線源より照射され、患部を透過したX線を検出する治療用X線センサと、
前記治療用X線源を支持して患部に向けて、前記治療用X線源の位置・姿勢を制御する線源操作手段と、
治療計画データに基づいて、前記マーカセンサの出力により特定された患部の位置に対応してX線治療ビームの形状、線量を演算して前記治療用X線源と前記各操作手段に制御信号を発生し、さらに前記治療用X線センサの出力信号を受けて前記治療計画データを修正して次の制御信号を前記治療用X線源と前記各操作手段に発生する中央処理装置と、から構成されている。
マーカは患部に対して既知の位置関係を保って患者に固定されるから、マーカを検出することによりカウチに対する患部の位置が明らかになり、治療用X線源を患部に向けて、適切な照射による治療が可能となる。
前記線源操作手段は、6軸または7軸ロボットアームのヘッドに前記治療用X線源を支持するものであることを特徴とする。
これにより、患部に向かう広い立体角内からのX線の治療が可能となる。
また、本発明による請求項3記載のX線治療装置は、請求項1記載のX線治療装置において、
前記線源操作手段は、前記治療用X線源を支持して前記カウチの移動と共同して自由にX線治療ビームの方向を決定するガントリであるかまたは環状回転構造であることを特徴とする。
前記治療用X線源は、1MV以上の高エネルギーX線を発生し、ビーム径が1mm〜10mm程度の細いX線ビームを出力するX線管を複数本束ねたX線管アレイにより構成されている。
これにより精密な治療ができる。
また、本発明による請求項5記載のX線治療装置は、請求項4記載のX線治療装置において、
前記治療用X線源のX線管の動作選択は治療計画データにしたがって行われることを特徴とするものである。
このような請求項4,5記載の構成によれば、従来マルチコリメータにより形成されていた治療用のX線ビームの(断面)形状の変更をX線管の各束の要素(1mm〜10mm程度の細いX線ビーム)の動作選択による組み合わせにより無限の形状にかつリアルタイムで変更することができ、複雑な患部の治療が可能になる。
このX線ビームの(断面)形状の設定や変更は、後述するように一連のX線照射治療中にリアルタイムで行われ、治療の質の向上と、治療時間の短縮に寄与している。
前記マーカセンサの検出対象であるマーカは人体に無害な重金属であり、前記マーカセンサはカウチに固定された患部に向けられる二つの低エネルギーX線発生装置とそれぞれに対応する画像センサであり、患部とマーカの像を出力することを特徴とするものである。
このX線治療装置によって、カウチとの関係で患部の位置が特定できる。
また、本発明による請求項7記載のX線治療装置は、請求項3記載のX線治療装置において、
前記二つの低エネルギーX線発生装置とそれぞれに対応する画像センサはガントリに設けられていることを特徴とするものである。
X線照射治療は治療計画データに基づいて複数回の一連の照射が行われるものであり、
前記マーカセンサによりマーカの位置を検出し、患部に治療用高エネルギーX線を照射して、その透過X線を前記治療用X線センサで検出して確認し、治療計画データを修正して、次期の照射を行うことを特徴とするものである。
この治療用X線センサは、治療後のX線治療検証(Verification)にも用いられる。
また、本発明による請求項9記載のX線治療装置は、請求項8記載のX線治療装置において、
前記X線治療装置は、X線治療ビームの形状、線量、または方向を前回までの治療用X線センサの画像データまたはマーカセンサの画像データのいずれかまたはそれらの組み合わせに基づいて修正することを特徴とするものである。
これにより、X線治療の要素を変更しながら一連の治療が実現でき、患者の負担を少なくした精密な治療が可能になる。
さらに、本発明による請求項10記載のX線治療装置は、請求項2または3記載のX線治療装置において、
高エネルギーX線を検出する治療用X線センサは、前記カウチに取り付けられていることを特徴とするものである。
図1Aは、本発明によるX線治療装置の実施形態を示す斜視図であり、図1Bは前記装置のブロック図である。以下の実施の形態は、患部が腫瘍である場合について記述されている。
前記装置において基準点(物理学的な体)に対して患部と治療用X線源の放射方向と位置は調整され、異なる位置からのX線ビームが患部で交差または近接通過することにより、X線ビームのエネルギー密度の上昇により患部(腫瘍)の組織が破壊(治療)される。マーカmは患部に対して既知の位置関係を保って患者に固定される。
マーカセンサの検出対象であるマーカmは、人体に安全でX線の吸収が大きいAu、Ptなどの重金属である。
マーカセンサはカウチ2に固定されて患部に向けられる2つの低エネルギーX線発生装置(マーカ検出用低エネルギーX線発生装置3(L,R))とそれぞれに対応する画像センサ(マーカ検出用センサ4(L,R))を含んでいる。この2組のマーカセンサにより、マーカmのカウチ2に対する空間的位置とマーカmと既知な関係にある腫瘍の情報が得られる。この腫瘍の位置の特定については項を分けて(動体追跡技術)として後述する。
カウチ位置姿勢制御手段はカウチ2を支持して、カウチ2を基準平面(例えば本装置が設置された空間の水平面)に対して上下、この上下軸回りの回転、前記水平面に平行な軸回りの回転、前記軸方向に進退させることができる(図1A参照)。
カウチ2に対するマーカmの位置を検出するマーカセンサは当然カウチ2と一体に移動させられることにより、マーカmのカウチ2に対する3次元位置を特定する。
操作ロボット5は治療用X線発生装置1を支持して、患部に向けて治療用X線発生装置1の位置、方向を制御する。操作ロボット5は6軸または7軸ロボットアームにより、治療用X線発生装置1を支持している。
操作ロボット5とは別の、カウチ2を操作するためのロボット6が設けられている。
このロボット6は操作ロボット5に対して床面における相対位置を調節(例えば6aの方向の移動)ができるように設けられており、その位置において垂直軸方向の上下移動、同軸回りの回転、カウチ2の中心軸回りの回転を可能にしている。
治療用X線発生装置1は、ロボット5に支持されており、カウチ2側にフラットパネルを検出器として用いた治療用X線センサ10が設けられている。
治療用X線センサ10は、治療用X線の位置、強度、方向などの治療中の患部の照射状態を検出するためのセンサであり、治療用X線発生装置1が動作中に患部を透過して到達する透過X線を検出するためにカウチ2に関連して設けられ、ロボット6によりカウチ2とともに移動させられるか、または治療用X線発生装置1の移動に追従して移動するように更に他のロボット(図示せず)によりカウチ2の下側の空間でカウチ2に対しても移動できるように設けられている。また治療用X線発生装置1の出力を低下させてX線治療後の患部の状態を知るためのセンサとして使用することも可能である。
マーカセンサの一対のマーカ検出用X線発生装置3(L,R)の出力はマーカ検出用センサ4(L,R)に取り込まれインターフェース8bを介してCPU8に取り込まれ、表示装置9(マーカ検出用センサ4Lの出力は9−4L、4Rの出力は9−4Rに、治療用X線センサ10の出力は9−10)で表示されるとともに記憶装置7に蓄積される。
なお、8aはキーボード等の入力装置である。
なお医者の位置には表示装置9が設けられ、治療の状態を観測できるようにしてある。
カウチ2に関連して、前述した治療用X線センサ10も設置されていて、X線ビームの強度や照射位置と方向を検出する。このデータは、次の治療用X線照射の制御に使用されるが、その他に、治療後に治療計画通りの照射が実施されたか検証(Verification)するときの重要なデータとなる。これによって、治療後の検証が容易になり、医師の負担を軽減できる。
治療用X線と腫瘍マーカ検出用X線の照射タイミングは、以下に説明する図の通りである。
図4の(A)は、治療用X線の照射タイミング図、図4の(B)はマーカ検出用X線の照射タイミング図である。
治療用X線(治療用X線発生装置1による)照射の間隙にマーカセンサのマーカ検出用X線発生装置3からのX線を照射してマーカの位置検出を行い、この検出結果に基づいて治療用X線を照射する。治療用X線照射は、200パルス/秒を10分間程度継続する。1パルスのマイクロビームX線のエネルギーは、健全な細胞にダメージを与えるレベルではない。
治療対象の腫瘍には、後述するように治療計画で定めた特定の方向(略全方位中から選択される)から約12万パルスのマイクロビームX線が集中するので、癌細胞を破壊するのに十分な線量分布を得ることができる。
本願発明のX線治療装置による治療は、本願発明装置のセンサによって得たデータ、他の検査装置等で得たデータを医師が総合判断して、策定された基本治療計画に基づいてなされる。基本治療計画は一連の照射における、X線ビームの方向、X線ビームの形状、X線ビームの強度を含んでいる。
(1)マーカ検出用X線発生装置3を起動して、低エネルギーX線を患部とマーカを含む領域に照射してマーカの位置を検出し、予め策定された基本治療計画で取得したマーカ及び患部の画像データと比較照合して確認する。
(2)治療用X線発生装置1を起動して、基本治療計画の定めるビーム形状、強度を備える治療用高エネルギーX線を患部に向けて照射する。
(3)前記照射は同時に治療用X線センサ10で検出され確認される。
(4)前記(3)の結果に基づき次の照射の要素(強度の増減、ビーム形状の変更)の一部を変更して、次の(1)→(2)を続行する。
以下このX線源を本発明による治療装置との関連で説明する。
図2Aに示すように、X線発生装置101は、真空容器102の中に、高エネルギー電子ビームを照射する電子源(以下、電子銃という。)103と、電子銃103が照射した高エネルギー電子ビームを衝突させてX線ビームを放射する複数のX線ターゲット管104−1〜104−nを単列に並べて構成したX線ターゲット管アレイ105と、電子銃103が照射した高エネルギー電子ビームの進行方向を偏向する第1偏向電磁石106および第2偏向電磁石107とを備える。
図2Cに偏向の状態を略図示してある。
前述の第1の実施例と共通部分については、同じ番号で示す。この第2の実施例の特徴は、X線ターゲット管アレイ205が図2Dの(b)に示すようにX線ターゲット管104をマトリックス状に配列して構成され、このX線ターゲット管アレイ205に高エネルギー電子ビームをスキャンしながら照射すること、さらに、X線ターゲット管アレイ205の入口開口部面の形状を放射状にすることによって、4極電磁石206によって偏向された高エネルギー電子ビームがX線ターゲット管アレイ205の各X線ターゲット管104(i,j)の中心軸に対して並行に入射できるようにしたことである。この構成によって、例えば、出口開口部から50cm離れた位置でX線ターゲット管アレイ205の照射野を50mm×50mmのように放射状に形成することができる。この実施例に係るX線発生装置を実現するために、第1の実施例に係るX線発生装置において、高エネルギー電子ビームの進行方向を1次元的に偏向する第1偏向電磁石106と第2偏向電磁石107に替えて、2次元的な偏向が可能な4極電磁石206を配置する。
北大方式は図3Aに示すような、X線管31とイメージインテンシファイア32の対を図3Bの(a)に示すように2組使用する。これにより、基準の空間に対する腫瘍マーカと物理アイソセンタ41(腫瘍の中心)を、図3Bの(b)に示すように獲得する。
北大方式はこのようにマーカの追跡を行って、マーカの3次元座標(演算をして算出)があらかじめ与えられた範囲内にある時に照射する。
これにより照射精度と照射スピードも向上させている。これによって、治療時間を短縮することができ、患者の負担を軽減することができる。ハードウエアとしてはセンサとして、イメージインテンシファイア32の代わりに固体撮像素子を用いるようにして、カウチと一体の移動を実現している。
電波発信機として、ICタグを利用することができ、ICタグを患部近傍に複数個埋め込み、ICタグリーダに測位システムを組み込んだ受信機によって患部の位置を正確に認識することが可能となる。
以上詳しく説明した実施形態、治療例につき、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。
6軸または7軸ロボットアームの例を示したが、他の形式のロボットを利用することもできる。
ガントリまたは、環状回転構造も広い意味でロボットの一種と考えることができ、線源操作手段は最も広く解釈されるべきである。
治療用のX線発生装置でX線管を整列させて用いる例を示したが、他の形状の配列、たとえば渦巻き状等の配列も考えられる。
マーカとして人体に無害な重金属を用いる例およびICタグのような無線通信で情報をやりとりする例を示したが、他のアクティブな信号源の利用も考えられる。
治療用およびマーカ検出用にX線源を利用する例を示したが、他の線源を利用することもできる。
2 カウチ
3 マーカ検出用X線発生装置
4 マーカ検出用センサ
5 ロボット(線源)
6 ロボット(カウチ)
7 記憶装置
8 CPU
9 表示装置
10 治療用X線センサ
31 X線管
32 イメージインテンシファイア
32c イメージインテンシファイア中心
101 X線発生装置
102 真空容器
103 電子銃
104 X線ターゲット管
105,205 X線ターゲット管アレイ
106 第1偏向電磁石
107 第2偏向電磁石
108 電力源
109 コントローラ
110 マイクロ波源
206 4極電磁石
Claims (10)
- カウチに仰臥した患者に、異なる位置からのX線ビームを患部で交差または患部に通過させて一回以上のX線照射治療をするX線治療装置であって、
患部に対して既知の位置関係を保って患者に固定されるマーカのカウチに対する位置を検出し患部のデータを得る低エネルギーX線発生装置と対応する画像センサよりなるマーカセンサと、
カウチの位置・姿勢を変更させるカウチ操作手段と、
X線治療ビームの形状、線量を電子ビーム偏向により制御する治療用X線源と、
前記治療用X線源より照射され、患部を透過したX線を検出する治療用X線センサと、
前記治療用X線源を支持して患部に向けて、前記治療用X線源の位置・姿勢を制御する線源操作手段と、
治療計画データに基づいて、前記マーカセンサの出力により特定された患部の位置に対応してX線治療ビームの形状、線量を演算して前記治療用X線源と前記各操作手段に制御信号を発生し、さらに前記治療用X線センサの出力信号を受けて前記治療計画データを修正して次の制御信号を前記治療用X線源と前記各操作手段に発生する中央処理装置と、
から構成したX線治療装置。 - 請求項1記載のX線治療装置において、
前記線源操作手段は、6軸または7軸ロボットアームのヘッドに前記治療用X線源を支持するものであることを特徴とするX線治療装置。 - 請求項1記載のX線治療装置において、
前記線源操作手段は、前記治療用X線源を支持して前記カウチの移動と共同して自由にX線治療ビームの方向を決定するガントリであるかまたは環状回転構造であることを特徴とするX線治療装置。 - 請求項2または3記載のX線治療装置において、
前記治療用X線源は、1MV以上の高エネルギーX線を発生し、ビーム径が1mm〜10mmの細いX線ビームを出力するX線管を複数本束ねたX線管アレイにより構成されているX線治療装置。 - 請求項4記載のX線治療装置において、
前記治療用X線源のX線管の動作選択は治療計画データにしたがって行われることを特徴とするX線治療装置。 - 請求項2または3記載のX線治療装置において、
前記マーカセンサの検出対象であるマーカは人体に無害な重金属であり、前記マーカセンサはカウチに固定された患部に向けられる二つの低エネルギーX線発生装置とそれぞれに対応する画像センサであり、患部とマーカの像を出力することを特徴とするX線治療装置。 - 請求項3記載のX線治療装置において、
前記二つの低エネルギーX線発生装置とそれぞれに対応する画像センサはガントリに設けられていることを特徴とするX線治療装置。 - 請求項2または3記載のX線治療装置において、
X線照射治療は治療計画データに基づいて複数回の一連の照射が行われるものであり、
前記マーカセンサによりマーカの位置を検出し、患部に治療用高エネルギーX線を照射して、その透過X線を前記治療用X線センサで検出して確認し、治療計画データを修正して、次期の照射を行うことを特徴とするX線治療装置。 - 請求項8記載のX線治療装置において、
前記X線治療装置は、X線治療ビームの形状、線量、または方向を前回までの治療用X線センサの画像データまたはマーカセンサの画像データのいずれかまたはそれらの組み合わせに基づいて修正することを特徴とするX線治療装置。 - 請求項2または3記載のX線治療装置において、
高エネルギーX線を検出する治療用X線センサは、前記カウチに取り付けられていることを特徴とするX線治療装置。
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